學生開始向北京長安街東端趙家樓的曹宅移動，一路高喊口號，要求懲辦親日派。下午兩點多，遊行隊伍到達曹宅，數百名軍警先是把胡同口封住，經溝通後放行。學生進入胡同，曹汝霖不在，但章宗祥正好在曹家作客。學生將章宗祥痛打一頓，並縱火焚燒曹宅，史稱「火燒趙家樓」，也是五四運動之中最嚴重的暴力事件。隨後軍警展開鎮壓，逮捕了32名學生代表。
這場民國以來最大規模的學生運動，受到全國廣泛關注和支持。時任北京大學校長蔡元培為抗議逮捕學生，發動全國工商界罷工罷市。北洋政府則頒布抗議禁令，大總統徐世昌更下令鎮壓，但是從天津、濟南、武漢、重慶、南京、杭州到廣州，各地學生團體和社會團體紛紛聲援。6月，上海工人開始大規模罷工。
北洋政府逮捕大批學生，但始終無法壓制民憤和輿論。6月中旬，北洋政府終於退讓，曹汝霖、陸宗輿、章宗祥先後被免職。6月12日以後，工人相繼復工，學生停止罷課。6月28日，巴黎和會中國代表顧維鈞等人沒有在《凡爾賽和約》（Traité de Versailles）上簽字。
山東問題一直拖到1921年底至至1922年初的華盛頓會議（Washington Naval Conference）才算勉強解決。中日在美國調停下簽訂《解決山東懸案條約》。1922年12月，中國政府正式收回青島，日本從山東撤出所有軍隊。之後中國陸續以巨款贖回日本侵佔的財產與權益。但日本在山東仍保留許多經濟和政治特權，為1928年的濟南「五三慘案」埋下隱患。
「 五四運動」為中國日後歷次大規模社會運動開啟先河，包括70年後同樣由學生發動、同樣佔據天安門廣場的「六四民運」；只不過後者以中國人民解放軍進城大屠殺血腥收場。
