Эти тревожные вести заставили Оттона I незамедлительно принять меры. Он разделил свое войско, оставив часть воинов, в основном итальянские контингенты, под предводительством верных императору епископов Модены, Тортоны и Пьяченцы, для продолжения осады Сан-Лео. Переждав в прохладной горной местности жаркую пору, Оттон I во второй половине сентября с основными силами направился к Риму. В октябре он разбил лагерь у стен города. В Риме же в ту пору произошел раскол: хотя большинство было на стороне папы, однако значительная часть знати открыто заявила, что поддерживает императора, и призывала его на помощь. Иоанн XII, поначалу настроенный весьма решительно, лично руководил организацией обороны города (его даже видели в полном боевом снаряжении с мечом на боку). Однако в этой обстановке он не отважился вступить в открытую борьбу с императором и предпочел бросить Святой престол и бежать вместе с Адальбертом, скрываясь, по выражению современника, «подобно дикому зверю» в лесах и горах Кампании, предварительно прихватив с собой большую часть церковной казны. Впрочем, по некоторым сведениям, папа, напуганный приближением императора, бежал, прихватив казну, еще до его прибытия, так что упомянутой выше «героической» обороны Рима и не было вовсе.

После этого римляне, каково бы ни было их отношение к императору, не посмели оказать ему сопротивление и со всевозможными почестями встретили его. 3 ноября во главе войска Оттон I во второй раз вступил в Рим — на сей раз в качестве победителя над папой. Император в полной мере воспользовался своей победой: римляне не только поклялись хранить ему верность, порукой чему должны были служить данные ими заложники, но и присягнули, что никогда впредь не выберут и не рукоположат папу римского, предварительно не заручившись согласием императора Оттона I и его сына короля Оттона II. Эта клятва римлян представляла собой модификацию прежнего соглашения с императором о выборах папы. Лиутпранд Кремонский говорит о ней как о дополнении к новой присяге на верность, принесенной тогда римлянами. Тем самым они поступились своим важнейшим правом по собственному усмотрению замещать папский престол, а император приобрел привилегию, которой в таком объеме никогда не обладал даже Карл Великий. Реализация этой прерогативы фактически означала бы включение папы в систему имперской церкви. Благодаря тому, что замещение престола Св. Петра теперь должно было точно так же зависеть от воли Оттона I, как и пожалование архиепископств и епископств в Германии и Италии, не только укреплялось его господство в Риме, но и появилась возможность в значительной мере влиять на всю западную церковь. Далеко за пределами его империи теперь должны были прислушиваться к повелениям зависимого от него папы.

6 ноября 963 года в церкви Св. Петра открылся по инициативе Оттона I синод для суда над папой. Председательствовал и фактически выступал в качестве судьи сам император. Это противоречило и традиции, и церковному праву, однако чрезвычайные обстоятельства допускали подобного рода нарушение (для оправдания действий Оттона I Лиутпранд передает слова, якобы сказанные римлянами: «Небывалую язву надлежит истреблять еще не виданным средством»). В какой-то мере оно компенсировалось широким представительством иерархов церкви: присутствовали архиепископы Миланский, Равеннский и Гамбургский, а заболевший патриарх Аквилеи прислал своего доверенного; явились 36 итальянских и два немецких епископа, а кроме того все римское духовенство и служители Латерана. Были допущены в большом количестве даже миряне — представители римской знати и городского ополчения. Благодаря этому суд Должен был стать предельно открытым и гласным. Лишь сам папа, как и следовало ожидать, не явился, о чем, открывая собрание, первым делом выразил свое сожаление император, поинтересовавшийся затем причинами его отсутствия. Ему ответили, что причины ясны, ибо папа даже и не пытается скрывать свои преступления. Тогда император потребовал все изложить как можно подробнее, дабы можно было на основании этих фактов принять решение. И тогда один из прелатов заявил, что сам видел, как папа служил мессу, не приняв причастия; другие сообщили, что видели, как он рукоположил диакона на конюшне в неурочный час. Было зачитано и письменное обвинение, в коем говорилось, что папа пропускал всенощные и заутрени, за деньги назначал епископов, однажды даже рукоположив десятилетнего мальчика, грабил церкви, а о его распутстве было широко известно; не таясь, он отправлялся на охоту; своего крестного Бенедикта он велел ослепить, вследствие чего тот умер; одного римского священника он велел оскопить; его видели с мечом, в шлеме и латах — в полном воинском облачении (канонический запрет ношения оружия здесь был, таким образом, использован в качестве средства политической борьбы). Мало того, так он еще пил за здоровье сатаны, а при игре в кости выкрикивал имена языческих богов.

Все это были страшные обвинения, и после того как присутствующие единодушно удостоверили клятвой их истинность, император одобрил предложение вызвать папу на синод, дабы тот получил возможность лично оправдаться. Было составлено ему письмо, в коем излагались основные пункты обвинения и давалось заверение в том, что ему не следует опасаться иного наказания, кроме предусмотренного каноническим правом. Вызов на синод был вручен папе, однако тот и не думал являться, в ответном письме пригрозив епископам отлучением. Не им созванный синод он отказался признавать.

Этот ответ был зачитан на втором заседании синода, проведенном 22 ноября 963 года, на котором к прежним участникам присоединились еще архиепископ Трирский Генрих и три итальянских епископа— Модены, Тортоны и Пьяченцы. Это были те три епископа, которые остались обеспечивать осаду крепости Сан-Лео, где укрылись Беренгар с Виллой и дочерями. Их прибытие могло означать, что крепость к тому времени уже капитулировала. Сочинили еще одно письмо папе, в котором указывалось, что он неподобающим, неканоническим образом отказался последовать вызову на синод, и еще раз было высказано требование лично явиться и опровергнуть, если сможет, выдвинутые против него обвинения. Если он сумеет оправдаться, то ему будет, как и прежде, оказываться должное послушание. Если же он не явится, то, не убоявшись его анафемы, самого его отлучат от церкви. Было поручено двум кардиналам передать письмо папе.

Когда посланники прибыли в Тиволи, где по последним сведениям должен был находиться папа, они его там не застали, поскольку он со своим поваром уехал на охоту. Так они ни с чем и вернулись на синод, собравшийся 4 декабря на свое третье заседание. На сей раз обвинителем выступил сам император, вменив папе в вину наиболее важные из доказанных преступлений: он объявил Иоанна XII вероломным предателем, вдохновившим и возглавившим внутреннюю войну, а также вступившим в союз с врагами Империи. Приговор синода гласил: сместить это чудовище с папского престола и избрать на его место более достойного.

Император утвердил принятое решение и поручил римлянам назвать кандидатуру нового папы. Синод единодушно избрал папой уже известного нам протоскринария Льва. Лев был хотя и мирянином, что могло оказаться препятствием для избрания, но человеком безупречной репутации. Оттон I познакомился с ним в лагере под Сан-Лео, куда тот прибыл в качестве посланника Иоанна XII. Желания синода и императора совпали, и последний сразу же одобрил этот выбор. Новоизбранного папу повели, как того требовал обычай, в торжественной процессии под пение хвалебных гимнов в Латеранский дворец. 6 декабря 963 года, в воскресенье, в церкви Св. Петра епископ Остии рукоположил Льва в сан священника, после чего тот в установленном порядке был рукоположен епископами Порто и Альбано в качестве папы Льва VIII. По завершении обряда новый папа принял от римлян присягу на верность. Тот факт, что Лев VIII до своего избрания не имел даже низшего духовного сана и в один день, вопреки каноническому праву, был проведен через все ступени духовной карьеры, возможно, давал врагам императора повод оспаривать законность свершившегося, однако новый папа был опытным в делах, к тому же известным и уважаемым в Риме человеком. Этого императору было достаточно.