วันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2411 พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จสวรรคตภายหลังเสด็จออกทอดพระเนตรสุริยุปราคา 18 สิงหาคม พ.ศ. 2411 โดยก่อนที่พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวจะสวรรคตนั้น ได้มีพระราชหัตถเลขาไว้ว่า "พระราชดำริทรงเห็นว่า เจ้านายซึ่งจะสืบพระราชวงศ์ต่อไปภายหน้า พระเจ้าน้องยาเธอก็ได้ พระเจ้าลูกยาเธอก็ได้ พระเจ้าหลานเธอก็ได้ ให้ท่านผู้หลักผู้ใหญ่ปรึกษากันจงพร้อม สุดแล้วแต่จะเห็นดีพร้อมกันเถิด ท่านผู้ใดมีปรีชาควรจะรักษาแผ่นดินได้ก็ให้เลือกดูตามสมควร" ดังนั้น เมื่อพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จสวรคต จึงได้มีการประชุมปรึกษาเรื่องการถวายสิริราชสมบัติแด่พระเจ้าแผ่นดินพระองค์ใหม่ ซึ่งในที่ประชุมนั้นประกอบด้วยพระบรมวงศานุวงศ์ ข้าราชการชั้นผู้ใหญ่ และพระสงฆ์ โดยพระเจ้าน้องยาเธอ กรมหลวงเทเวศร์วัชรินทร์ ได้เสนอสมเด็จพระเจ้าลูกยาเธอ เจ้าฟ้าจุฬาลงกรณ์ กรมขุนพินิตประชานาถ พระราชโอรสพระองค์ใหญ่ในพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวขึ้นเป็นพระเจ้าแผ่นดิน ซึ่งที่ประชุมนั้นมีความเห็นพ้องเป็นเอกฉันท์ ดังนั้น พระองค์จึงได้รับการทูลเชิญให้ขึ้นครองราชสมบัติต่อจากสมเด็จพระราชบิดา โดยในขณะนั้น มีพระชนมายุเพียง 15 พรรษา ดังนั้น จึงได้แต่งตั้งสมเด็จเจ้าพระยาบรมมหาศรีสุริยวงศ์ (ช่วง บุนนาค) เป็นผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์ จนกว่าพระองค์จะมีพระชนมพรรษครบ 20 พรรษา โดยทรงประกอบพระราชพิธีบรมราชาภิเษกครั้งแรก เมื่อวันที่ 11 พฤศจิกายน พ.ศ. 2411 โดยได้รับการเฉลิมพระปรมาภิไธยว่า พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาจุฬาลงกรณ์ฯ พระจุฬาลงกรณ์เกล้าเจ้าอยู่หัว โดยมีพระนามตามจารึกในพระสุบรรณบัฎว่า