Cicero berief daraufhin den Senat in den Tempel des Jupiter Stator am Fuße des Palatin. Zu dieser Senatssitzung erschien auch Catilina, um seine Unschuld zu demonstrieren. Er erklärte sich bereit, sich für den Staat zu opfern und, wenn es der Senat wünsche, ins Exil zu gehen. Wohl wissend, dass sich davon viele Senatoren beeindrucken ließen, hielt Cicero seine erste Rede In Catilinam, in die er all sein rhetorisches Können legte. Catilina, der zuerst mit Zwischenrufen gestört hatte, verließ die Sitzung. Umgehend ließ Cicero die zweite Rede In Catilinam folgen, die er an das Volk richtete. So berechtigt die Angriffe gegen Catilina und das Bemühen, die Verfassung zu retten, auch waren, zeigte sich doch auch Ciceros geringes Verständnis für die sozialen Probleme der römischen Unterschicht, aus der die Masse der Anhänger Catilinas und die Befürworter der Landverteilungsgesetze kamen.
Mitte des Monats legte Catilina in Faesulae (jetzt Fiesole bei Florenz) die Insignien eines Konsuls an und übernahm die Leitung eines Soldatentrupps der Verschwörer. Da allerdings seine Anhänger in Rom nicht ebenfalls losschlugen, wurde die Gefahr dort noch immer nicht von allen Senatoren ernst genommen. Ciceros politische Freunde, die Optimaten wurden auch noch durch den Prozess gegen den designierten Konsul L. Licinius Murena gespalten. Er war bei den Konsulwahlen Ciceros Favorit gewesen und jetzt des ambitus angeklagt und mit der Strafe bedroht, die Cicero selbst in der lex Tullia durchgesetzt hatte. Zu seiner Verteidigung fanden sich mit Cicero, Hortensius und Crassus zwar drei Anwälte ersten Ranges zusammen, doch waren auch die Ankläger, Ser. Sulpicius Rufus und M. Porcius Cato eigentlich Ciceros Verbündete im Kampf gegen Catilina. Diese drohten gerade jetzt von ihm entzweit zu werden, da er ihrer Unterstützung am meisten bedurfte. Trotz des Ernstes der Lage soll Cicero wegen der Sorge, den Hortensius rhetorisch vielleicht nicht zu übertreffen, eine ganze Nacht nicht geschlafen haben. Die Sorge war unbegründet. Cicero gelang es in seiner Rede Pro Murena nicht nur, den Richtern deutlich zu machen, wie wichtig ein funktionsfähiges Konsulnkollegium am 1. Januar 62 sein würde, sondern auch die Ankläger so zu behandeln, dass sie mit der Niederlage im Prozess nicht ihr Gesicht verloren und ihm als Bündnispartner erhalten blieben.
In den nächsten Tagen meldete Q. Fabius Sanga, der Patron des gallischen Stammes der Allobroger, dass sich zwei Gesandte seiner Klienten in Rom aufhielten und von Sympathisanten Catilinas wegen militärischer Hilfe bei einem Umsturz angesprochen worden seien. Cicero ließ die Gallier auf die Verhandlungen eingehen, woraufhin ihnen von den Verschwörern sogar Briefe ausgehändigt wurden, die sie zu Catilina bringen sollten. Am 3. Dezember ließ sie Cicero an der Milvischen Brücke festnehmen und kam so in den Besitz der notwendigen Beweismittel. Diese wurden in der folgenden Senatssitzung im Concordiatempel verlesen. Außerdem berichtete einer der Mitverschwörer, von der Beweislast erdrückt, freimütig den geplanten Ablauf des Unsturzes einschließlich der geplanten Brandstiftungen. Die übrigen anwesenden Mitverschwörer gestanden ebenfalls. Auf Antrag von Q. Lutatius Catulus wurde Cicero zum Dank, dies verhindert zu haben, vom Senat zum pater patriae (Vater des Vaterlandes) ausgerufen. Dieser Titel des Stadtgründers Romulus war zuvor nur M. Furius Camillus nach der Vertreibung der Gallier aus Rom 387, dann Q. Fabius Maximus Cunctator, dem mehrfachen Konsul, der Süditalien von den Karthagern zurückeroberte, sowie den erfolgreichen Feldherrn Marius und Sulla verliehen worden.
Die Verschwörer wurden verhaftet und in den Häusern von Senatoren bewacht. Am Abend hielt Cicero seine dritte Rede In Catilinam, in der er die Volksversammlung über die Geschehnisse informierte und dabei die drohende Gefahr in schillernden Farben ausmalte. Für seinen Sieg dankte er den Göttern, jedoch nicht, ohne auch seine eigenen Leistungen gebührend hervorzuheben.
Cicero schwankte in der Frage der Bestrafung, da soll (so berichten es die Geschichtsschreiber Plutarch und Cassius Dio) Terentia von einer Bona-Dea-Feier in Ciceros Haus, einem Gottesdienst zu Ehren einer kleinasiatischen Gottheit, bei welchem nur Frauen zugelassen waren, zu ihm, der sich im Hause eines Freundes aufhielt, gekommen sein und ihm von den anwesenden Vestapriesterinnen ausgerichtet haben: Beim Opfer habe die schon im Erlöschen begriffene Flamme noch einmal kräftig ausgeschlagen. Dieses Vorzeichen sei so zu deuten, dass Cicero seine Absicht im anstehenden Verfahren entschlossen verwirklichen sollte.
In der Senatssitzung des folgenden Tages versuchten einige Optimaten den Popularenführer C. Iulius Caesar der Beteiligung an der Verschwörung zu beschuldigen, um sich bei dieser Gelegenheit seiner zu entledigen. Cicero erkannte jedoch erstens, dass Caesar nicht hinter der Verschwörung steckte, und zweitens, dass das Ziel, ihn so zu beseitigen, nicht erreichbar war, und ging daher nicht auf den Vorwurf ein. Zur gleichen Zeit erreichte den Senat die Nachricht, dass gewaltbereite Haufen auf dem Forum am Fuße des Capitols die Gefangenen befreien wollten und entsandte Truppen dorthin. An der Niederhaltung dieses Aufruhrs beteiligten sich vor allem die römischen Ritter unter Führung von Ciceros Freund T. Pomponius Atticus.
Am 5. Dezember tagte der Senat erneut. In dieser Sitzung erklärte der designierte Konsul D. Iunius Silanus, der nach der Geschäftsordnung des Senates als erster zum Thema sprechen durfte, die fünf Gefangenen und die vier noch gesuchten Anführer der Verschwörung müssten mit der höchsten Strafe belegt werden. Sein Kollege C. Murena und die ehemaligen Konsuln, die nächsten auf der Rednerliste, befürworteten diesen Vorschlag. C. Iulius Caesar dagegen, designierter Prätor, berief sich auf die lex Sempronia des C. Gracchus aus dem Jahre 123 v. Chr., welche die Hinrichtung römischer Bürger ohne Hinzuziehung der Volksversammlung verbot, und warnte davor, die Männer aus den vornehmsten Familien ohne Appellation an das Volk hinzurichten. Er schlug stattdessen die Einziehung ihres Vermögens und ihre Sicherheitsverwahrung in zuverlässigen Munizipalstädten vor. Cicero antwortete darauf mit seiner vierten Rede In Catilinam, da ihm jede Milde und jeder Aufschub der Bestrafung aufgrund der Waffenlager und der vielen Anhänger Catilinas als gefährlich und unsicher erscheinen musste. Während Cicero mit seinen Ausführungen nicht den Ausschlag für die Senatsentscheidung gab, gelang dies der Rede M. Porcius Catos, der entschieden für eine Hinrichtung der Täter argumentierte. Als Caesar nach der Abstimmung forderte, man möge angesichts der beschlossenen Tötung der Gefangenen wenigstens auf die Vermögenseinziehung verzichten, erregte er solche Entrüstung, dass er nur unter Ciceros persönlichem Schutz den Versammlungsort verlassen konnte. Cicero folgte allerdings letztendlich diesem Vorschlag Caesars.
Noch am selben Tag fanden die Hinrichtungen der Verurteilten P. Cornelius Lentulus Sura, C. Cornelius Cethegus, L. Statilius, P. Gabinius Capito und M. Ceparius in einem unterirdischen Gewölbe namens Tullianum, einem ehemaligen etruskischen Brunnenhaus, das Teil des Mamertinischen Kerkers war, statt. Nacheinander wurde den fünf bereits verhafteten Mitverschwörern mit dem Strang das Genick gebrochen. Cicero meldete auf dem Forum den Vollzug der Strafe: Vixerunt (Sie haben gelebt). Senatoren und Bevölkerung statteten Cicero, als er nach Hause ging, ihren Dank ab. Statt nun seinen Erfolg für sich selbst sprechen zu lassen, wurde Cicero nicht müde, seine eigene Person bei jeder Gelegenheit zu loben.
In Wirklichkeit zeigten die Schwierigkeiten, die er im Senat beim Kampf gegen Catilina zu überwinden hatte, bereits die Spaltung der römischen Führungsschichten und die Morschheit des republikanischen Systems.
Catilina fiel bei Pistoria in Etrurien durch die Truppen des Konsuls C. Antonius.
Da Caesars Einspruch gegen die Hinrichtung erwarten ließ, dass die Popularen das Urteil und