เมื่อพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 3 เสด็จสวรรคต เมื่อวันที่ 2 เมษายน พ.ศ.2394 พระราชวงศ์ชั้นผู้ใหญ่และเสนาบดีได้มีมติเห็นชอบให้กราบบังคมทูลถวายสิริราชสมบัติแด่พระภิกษุเจ้าฟ้ามงกุฎ จึงเชิญเสด็จจากวัดบวรนิเวศวิหาร แห่เสด็จโดยกระบวนเรือเข้าพระราชวังหลวงเสด็จขึ้นพระมหามณเฑียรถวายน้ำสรงพระบรมศพสมเด็จพระเชษฐาธิราช แล้วเสด็จประทับในพระอุโบสถวัดพระศรีรัตนศาสดาราม พระองค์ทรงลาพระผนวช เพื่อเสด็จเถลิงถวัลยราชสมบัติ เมื่อวันที่ 6 เมษายน พ.ศ. 2394 พระองค์ทรงประกอบพระราชพิธีบรมราชาภิเษกในวันที่ 15 พฤษภาคม พ.ศ.2394 ขึ้นเป็นพระมหากษัตริย์รัชกาลที่ 4 แห่งราชวงศ์จักรี ได้รับการเฉลิมพระปรมาภิไธย โดยย่อว่า พระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหามงกุฎฯ พระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว
โดยมีพระนามเต็มตามจารึกในพระสุบรรณบัฎว่า “พระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหามงกุฎสุทธิ สมมุติเทพยพงศวงศาดิศรกษัตริย์ วรขัตติยราชนิกโรดม จาตุรันตบรมมหาจักรพรรดิราชสังกาศ อุภโตสุชาติสังสุทธิเคราะหณี จักรีบรมนาถ อดิศวราชรามวรังกูร สุจริตมูลสุสาธิตอุกฤษฐวิบูลย บุรพาดูลยกฤษฎาภินิหารสุภาธิการรังสฤษดิ ธัญญลักษณ วิจิตรโสภาคสรรพางค์ มหาชโนตมางคประนตบาทบงกชยุคคล ประสิทธิสรรพสุภผลอุดม บรมสุขุมาลยมหาบุรุษยรัตน ศึกษาพิพัฒนสรรพโกศล สุวิสุทธิวิมลศุภศีลสมาจารย์ เพ็ชรญาณประภาไพโรจน์ อเนกโกฏิสาธุ คุณวิบุลยสันดาน ทิพยเทพวตาร ไพศาลเกียรติคุณอดุลยพิเศษ สรรพเทเวศรานุรักษ์เอกอัครมหาบุรุษ สุตพุทธมหากระวี ตรีปิฎกาทิโกศล วิมลปรีชามหาอุดมบัณฑิต สุนทรวิจิตรปฏิภาณ บริบูรณ์คุณสาร สัสยามาทิโลกยดิลก มหาปริวารนายกอนันต์ มหันตวรฤทธิเดช สรรพพิเศษ สิรินธรมหาชนนิกรสโมสรสมมติ ประสิทธิวรยศมโหดมบรมราชสมบัติ นพปดลเศวตฉัตราดิฉัตร สิริรัตโนปลักษณมหาบรมราชาภิเศกาภิษิต สรรพทศทิศวิชิตวิไชย สกลมไหศวรินมหาสยามินทร มเหศวรมหินทร มหาราชาวโรดม บรมนารถชาติอาชาวศรัย พุทธาทิไตรรัตนสรณารักษ์ อุกฤษฐศักดิอัครนเรศราธิบดี เมตตากรุณาสีตลหฤทัย อโนปมัยบุญการสกลไพศาลมหารัษฎาธิเบนทร ปรเมนทรธรรมมิกมหาราชาธิราช บรมนารถบรมบพิตร พระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว” ซึ่งพระองค์พระราชทานพระปฐมบรมราชโองการ ไว้ว่า “พรรณพฤกษ ชลธี แลสิ่งของในแผ่นดิน ทั่วเขตพระนคร ซึ่งหาผู้หวงแหนมิได้นั้น ตามแต่สมณชีพราหมณาจารย์ราษฎรจะปรารถนาเถิด”
พระราชลัญจกรพระมหามงกุฎ
พระราชลัญจกรประจำพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 4
พระบาทสมเด็จพระปิ่นเกล้าเจ้าอยู่หัว
ต่อมาเมื่อวันที่ 25 พฤษภาคม พ.ศ. 2394 พระองค์ได้โปรดเกล้าฯ ให้มีพระราชพิธีบวรราชาภิเษกสถาปนาสมเด็จพระเจ้าน้องยาเธอ เจ้าฟ้าจุฑามณี กรมขุนอิศเรศรังสรรค์ ผู้ทรงรอบรู้ด้านการต่างประเทศ การทหารและการเดินเรือ ให้ดำรงพระยศเสมอพระเจ้าแผ่นดินอีกพระองค์หนึ่ง โดยได้รับการเฉลิมพระปรมาภิไธยว่า พระบาทสมเด็จพระปิ่นเกล้าเจ้าอยู่หัว ซึ่งต่างประเทศขนานนามของพระองค์ว่า “The Second King”