No decurso da revolução, Trótski deixa de acreditar na unificação de todas as facções social-democratas, abandona a sua trajectória anterior de socialista independente e junta-se ao partido bolchevique de Lenin. Destacando-se pelo seu talento como organizador e agitador, é eleito presidente do soviete de Petrogrado, participa activamente na luta para derrubar o Governo Provisório de Alexander Kerenski, e lidera o Comité Militar Revolucionário que planeja e concretiza o assalto ao Palácio de Inverno, consumando a Revolução de Outubro.

Após a conquista do poder pelos Bolcheviques, Trótski torna-se Comissário do Povo para os Negócios 

Estrangeiros, com a missão de negociar o armistício militar com a Alemanha e seus aliados. A posição de Trótski nas negociações do armistício foi oposta a de Lenin - que achava que um tratado deveria ser assinado com a Alemanha em quaisquer condições - mas também oposta a dos comunistas de Esquerda, que propunham a guerra revolucionária; para ele, a posição a tomar seria de "nem paz, nem guerra"; o governo soviético deveria retirar-se das conversações e esperar pela agitação revolucionária no exército alemão. Através de uma combinação prévia com Lenin, que havia aceitado testar sua proposta ("para estar de bem com Trótski, vale a pena até perder a Letônia e a Estônia", teria dito Lenin), Trótski acaba por retirar-se de fato das conversações a 10 de fevereiro de 1918, respondendo a Alemanha com um novo ataque, que obrigou o governo soviético a assinar por fim a 3 de março o desvantajoso Tratado de Brest-Litovski.

Trótski abandona subsequentemente o cargo, mas ainda no mesmo mês é nomeado Comissário do Povo para os Assuntos Militares (até1925) e, em setembro, líder do Comité Militar Revolucionário do regime soviético. É neste contexto que lidera de forma decisiva a criação e organização do Exército Vermelho, que acaba por vencer a longa e violenta guerra civil (1918-20) contra o Exército Branco, garantindo a sobrevivência do regime soviético.