После смерти Анны Иоанновны регентом сделался Бирон. Однако в ночь на 9 ноября Анна Леопольдовна произвела переворот, Бирона свергли и отправили в ссылку. Войска, собранные у Зимнего дворца, принесли присягу «благоверной государыне правительнице великой княгине Анне всея Руси». Первым лицом страны стал А.И. Остерман, так как регентша в делах активного участия не принимала, проводя время за карточным столом или в опочивальне. Подобное поведение правительницы подготовило почву для очередного дворцового переворота. В ночь на 25 ноября 1741 года вместе с мужем и детьми она была арестована. «Сердобольная» Елизавета приказала гвардейцам ждать, пока император проснется, и они стояли у его колыбельки около часа. Затем она взяла Иоанна на руки и со словами «Малютка, ты ни в чем не виноват!» села в сани.
Опальное семейство в начале 1744 года оказалось в Холмогорах. Там Иоанн был отделен от семьи. Он жил в том же доме, что и его близкие, но никто из них об этом не догадывался. Обращались с юным государем грубо, к нему даже не пустили врача, когда он заболел. Однако Иоанн выжил. По повелению Елизаветы Иоанна перевели в Шлиссельбургскую крепость. Свет не проникал сквозь закрытые окна каземата, свечи горели постоянно, поэтому арестант никогда не знал, ночь или день на дворе. Даже комендант крепости не представлял, кто этот заключенный. Все бумаги, монеты и прочие атрибуты с изображением и именем Иоанна уничтожили.
В августе 1762 года в Шлиссельбург приезжала Екатерина II. Она приказала еще крепче сторожить узника, а в случае попытки его освобождения умертвить. Вскоре охранникам бывшего императора представилась возможность выполнить волю царицы. Похоронили Иоанна Антоновича тайно там же, в крепости. Место его погребения неизвестно.
Император Петр III инкогнито посещает в Шлиссельбургской крепости Иоанна Антоновича. Художник Ф.Е. Буров
В 1762 году Иоанна навестил Петр III, имевший с заключенным многочасовую беседу. Войдя в камеру, он увидел белокурого молодого человека среднего роста с орлиным носом и большими глазами. Несмотря на заикание Иоанна, «разговор его был не только рассудителен, но даже оживлен». Петр предполагал дать Иоанну Антоновичу свободу, но не успел.
Силуэты детей Анны Леопольдовны