Powstała tajna organizacja, najpierw w obozie nr 1, później w obozie nr 2. Tworzono tzw. piątki – grupy skupiające po 5 osób, w miarę możliwości gromadzono tępe narzędzia, drewniane deski i kołki potrzebne do forsowania ogrodzenia z drutów oraz benzynę do podpalenia zabudowań. Na początku 1943 r. w obozie nr 1 stworzono Komitet Organizacyjny, którego zadaniem było przygotowanie powstania. W Komitecie byli także ci Żydzi, którzy przeżyli powstanie w warszawskim getcie i zostali w kwietniu i maju przywiezieni do Treblinki. W jego skład wchodzili: Zelomir Bloch, Rudolf Masaryk, Marceli Galewski, Sudowicz, Salzburg, Samuel Rajman, Julian Chorążycki, Irena Lewkowska, Moněk, Leon Haberman, Lubling, Zeichet. W obozie nr 2 Komitet skupiał 10–12 osób i powstał niezależnie, ale w kwietniu 1943 r. przeniesiono do niego Blocha, aby mu przewodniczył. W lipcu transporty nadchodziły coraz rzadziej i więźniowie obawiali się, że lada dzień może nastąpić likwidacja.

Plan powstania zakładał kradzież broni i amunicji z wartowni, podpalenie wszystkich zabudowań obozu i wspólny atak więźniów obozów nr 1 i 2 na załogę. Planowano zabicie jak największej liczby strażników, masową ucieczkę więźniów, a po sforsowaniu Bugu przyłączenie się ocalałych grup do partyzantów działających w lasach białostockich.

Liczono na pomoc więźniów z karnego obozu pracy, którzy w liczbie około 400 osób wracali na platformach kolejowych z pracy na stacji kolejowej w Małkini i przejeżdżali obok obozu zagłady około godz. 16. W przypadku pełnego powodzenia zakładano nawet uderzenie na załogę obozu pracy i uwolnienie więźniów.

Powstanie wybuchło 2 sierpnia 1943 r. po południu. Był to poniedziałek, dzień wolny od pracy. Przed godz. 16 z wartowni, dzięki dorobionemu kluczowi, wyniesiono broń, amunicję i granaty. Akcja musiała rozpocząć się przed wyznaczonym czasem, gdyż esesman Kurt Küttner znalazł złoto u jednego z więźniów, który był zaangażowany w przygotowanie powstania, i rozpoczął śledztwo. Spiskowcy zostali zaskoczeni tą sytuacją i postanowili natychmiast działać. Wywiązała się chaotyczna strzelanina, podpalono część zabudowań, a zatrudniony w garażu Stanislaus Lichtblau z Morawskiej Ostrawy, pseudonim „Standa”, wysadził w powietrze zbiornik z benzyną. Nie powiodło się zniszczenie komór gazowych i nie przerwano linii telefonicznej. Największy atak przeprowadzono na bramę główną, którą sforsowano po ciężkich stratach. Z odległości kilku kilometrów można było dostrzec słup czarnego dymu unoszący się nad obozem. Z komendantury Stangl zdołał nawiązać łączność z oddziałami stacjonującymi w pobliżu. Na pomoc pospieszyli żołnierze z Małkini, Sokołowa Podlaskiego, Kosowa Lackiego, Ostrowi Mazowieckiej. W sumie setki ludzi ścigało uciekających Żydów. Powstanie trwało ok. 20–30 minut. W dniu powstania w obozie przebywało 840 więźniów, z czego 105 nie wzięło w ogóle udziału w tym zrywie – byli to psychicznie zmęczeni i zrezygnowani ludzie. Przyjmuje się, że jedynie około 200 osobom udało się wydostać z obozu i ujść obławie. Z tej liczby końca wojny mogło doczekać co najwyżej 100 osób. Po zajęciu tych obszarów przez Armię Czerwoną, udało się odnaleźć około 40 ocalałych więźniów, część z nich ukrywała się w okolicznych lasach. Pierwsze zebranie byłych więźniów Treblinki II odbyło się 21 stycznia 1945 r. z inicjatywy Centralnej Żydowskiej Komisji Historycznej. Wtedy najprawdopodobniej powstało Koło Byłych Więźniów Treblinki, które zorganizowało spotkanie 15 lipca 1945 r. w mieszkaniu Oskara Strawczyńskiego, byłego więźnia obozu śmierci. Uczestniczyło w nim 15 więźniów z obozu śmierci oraz 3 z obozu pracy. Nie ma pewnych danych dotyczących strat wśród esesmanów i Ukraińców, relacje na ten temat są sprzeczne. Najprawdopodobniej wśród ofiar śmiertelnych nie było Niemców.

Według szacunków historyków, w Treblince zginęło ok. 900 tys. osób. Większość z nich – ok. 760 tys. – pochodziła z terenów polskich.

2 sierpnia 2018 r. Żydowski Instytut Historyczny organizuje we współpracy z Muzeum Treblinka uroczyste obchody 75. rocznicy buntu więźniów obozu śmierci Treblinka II.