В начале 1881 года Желябов разработал новый четырехступенчатый план убийства царя, не допускающий возможности его спасения. Основу плана составлял взрыв императорской кареты бомбой, заложенной в подкоп под Малой Садовой, по которой должен был проезжать Александр II. Если бы бомба по каким-либо причинам не взорвалась или изменился царский маршрут, в дело должны были вступить расставленные в линию четыре метальщика с ручными бомбами. Если же и метальщики промахнулись бы, то на царя бросился бы сам Желябов с кинжалом в руках… В этом плане Перовской отводилась важная роль. Она организовала наблюдение за постоянными маршрутами передвижения Александра II по столице и лично участвовала в нем. Ей удалось установить наиболее удобные места для покушения. На Малой Садовой улице революционеры под именем крестьянской семьи Кобозевых сняли сырную лавку, из подвала которой сделали подкоп, чтобы установить мину под мостовой. Людей не хватало, не прекращались аресты. Перовская жила в постоянной тревоге за Желябова. И не напрасно: за несколько дней до покушения он был арестован.
Вся тяжесть организации теракта легла на плечи его подруги, жены и помощницы. Конечно, по натуре она была лидером, но совсем не таким сильным, как Желябов. Однако останавливаться на полпути было не в ее правилах. Софья решила действовать при любых обстоятельствах. Завершив отслеживание маршрутов царя, заговорщики установили, что каждое воскресенье он направляется на развод караулов в Манеж Инженерного замка двумя возможными путями – по Малой Садовой или по Инженерной и набережной Екатерининского канала. Было решено напасть на царя на его обратном пути. Перовская должна была занять позицию у Манежа. Если царь будет возвращаться в Зимний по Малой Садовой, то Софья взмахом платка даст знать об этом метальщикам, и они выйдут из игры. Тогда в действие вступит «сырная лавка». Если же венценосный экипаж направится в сторону Инженерной, Перовская, опять же с помощью платка, направит метальщиков к Екатерининскому каналу, где разыграется заключительный акт. Именно так и описывается процесс подготовки цареубийства во всех советских учебниках по истории. Однако современные архивные данные и историческая реконструкция позволяют утверждать, что «сырная лавка Кобозева» была лишь прикрытием основной операции на Екатерининском канале и что террористы заранее точно знали маршрут императора именно на 1 марта. Тут нелишним будет вспомнить, что отец Софьи Перовской служил в совете при Министерстве внутренних дел и наверняка был посвящен в тайну передвижения царя по столице. Хотя прямых доказательств того, что утечка информации произошла именно с его стороны, нет.
В то злополучное утро 1 марта 1889 года Александр II в сопровождении петербургского полицмейстера Дворжицкого и казацкого конвоя возвращался из Михайловского манежа в Зимний дворец. Царь отказался от проезда по Малой Садовой и свернул на набережную. Перовская быстро сориентировалась и расставила в заранее определенных точках метальщиков бомб. Она не покинула места событий, не бросила все на произвол судьбы. Софья взмахнула белым платочком (а по данным следствия – просто высморкалась), и Рысаков метнул в царскую катеру первую бомбу. Александр II остался невредим, тогда как взрывчаткой в щепки разнесло задник его кареты и смертельно ранило двух казаков и проходившего мимо мальчика-посыльного. Второй террорист, Гриневецкий, воспользовавшись непроизвольной задержкой царя на месте происшествия, взорвал бомбу между собой и императором. Тяжелораненый Александр II скончался от потери крови – как и его убийца.
Перовская добилась своего. Думала ли она о невинно погибших или раненых прохожих, об их семьях? Вряд ли. Как говорила впоследствии В. Фигнер: «Они просто брали чужую жизнь, а взамен отдавали свою». Девять дней, проведенных до своего ареста, Софья посвятила неудачным попыткам освободить из тюрьмы Желябова. На допросах Перовская признала свое участие в покушениях под Москвой, в Одессе и в последнем – сенсационном цареубийстве. Она сказала, что сама не бросила бомбу только потому, что это удалось сделать ее товарищам.