Charles X accède au trône le 16 septembre 1824 à l'âge avancé de 66 ans en succession à son frère Louis XVIII. Revenu en France en mars 1814, il avait dû s'exiler de nouveau de façon temporaire lors de la période des Cent-Jours. Il est sacré roi à la cathédrale de Reims selon la tradition sous l'Ancien Régime. Très conservateur et chef de file des ultraroyalistes durant le règne de son frère, il surprend au début du sien en abolissant brièvement la censure exercée sur la presse. Il reste cependant fidèle à sa conception conservatrice en reconduisant Villèle au poste de président du conseil des ministres.
Il met en vigueur en 1825 la loi du « milliard des émigrés » qui accorde une indemnité aux aristocrates émigrés dont les biens avaient été confisqués et revendus durant la Révolution. Cette mesure, comme d'autres qui vont suivre (loi sur le sacrilège, renvoi de la garde nationale, etc.), ainsi que le rétablissement de la censure suscitent beaucoup d'insatisfaction dans la population. Pour calmer le jeu, il tente un compromis en 1828 en nommant des ministres de tendance libérale sous la direction de Jean-Baptiste de Martignac.
En août 1829, il revient toutefois à un groupe de ministres conservateurs présidés par Jules de Polignac. Charles X prend certains engagements sur le plan militaire en participant avec les Russes et les Anglais à la guerre d'indépendance grecque contre l'Empire ottoman. En juin et juillet 1830, il ordonne une expédition contre le dey d'Alger en raison d'un différend commercial datant de plusieurs décennies. La ville d'Alger est finalement prise 5 juillet 1830, un événement qui marque le début de la présence française en Algérie qui s'étendra jusqu'en 1962.
Le 25 juillet 1830, il signe les « ordonnances de Saint-Cloud », qui changent en profondeur le mode d'élection au profit des ultraroyalistes et rétablissent de nouveau la censure qui avait été quelque peu assouplie sous Martignac. Cette décision, que Charles X justifie selon l'article 14 de la Charte constitutionnelle, mène à l'insurrection dans les rues de Paris. Connue sous le nom des « Trois Glorieuses », celle-ci se déroule du 27 au 29 juillet 1830 et marque le point de départ de la déchéance du roi.
Député à plusieurs reprises depuis 1815, La Fayette joue un rôle majeur durant le soulèvement en étant nommé de nouveau près de quarante ans plus tard au commandement de la garde nationale. Lorsqu'il reçoit des envoyés de Charles X à l'hôtel de ville de Paris, il leur fait comprendre que la présence du roi n'est plus désirée à la tête du pays. Le 31 juillet, les chambres législatives nomment, avec l'assentiment de La Fayette, le cousin du roi, Louis-Philippe, duc d'Orléans, au titre de lieutenant général du royaume, une fonction de haut rang qui pousse davantage Charles X vers la sortie.
Charles X abdique le 2 août à la faveur de son petit-fils Henri d'Artois, ce qui place la France dans l' « hésitation de 1830 », une brève période sans roi à laquelle le choix du successeur de Charles X donne lieu à des incertitudes. La succession par Henri d'Artois paraît exclue car il semble établi que la dynastie des Bourbons dont est issu Charles X soit maintenant révolue. Dans ce contexte, Louis-Philippe demande à Charles X de quitter le pays, ce que ce dernier refuse d'abord. Pour l'en convaincre, La Fayette, mandaté par Louis-Philippe, masse des troupes autour de Rambouillet où est réfugié Charles IX, qui finira par accepter de partir sans qu'il y ait effusion de sang.
Le 9 août, la Chambre des députés puis celle des pairs en viennent finalement à choisir Louis-Philippe pour succéder à Charles X dans un régime de monarchie constitutionnelle. Cette décision met fin à la période de la seconde Restauration et inaugure celle de la « monarchie de juillet ». Charles X embarque le 16 août 1830 pour l'Angleterre avec sa famille et s'installera un peu plus tard en Autriche où il mourra le 6 novembre 1836 du choléra.