В 1916 был выслан из Франции в Испанию, откуда уже испанскими властями выслан в США, где продолжил деятельность публициста.

После Февральской революции Троцкий направился в Россию. 4 мая 1917 года приехал в Петроград. В июле на VI съезде РСДРП(б) был избран в состав ЦК РСДРП. 20 сентября Троцкий был избран председателем Петроградского совета рабочих и солдатских депутатов.

12 октября 1917 года Троцкий в качестве председателя Петросовета сформировал ВРК (Военно-революционный комитет), состоявший в основном из большевиков, а также левых эсеров. ВРК стал основным органом подготовки вооружённого восстания. Сразу после своего формирования ВРК начал работу по склонению на свою сторону частей Петроградского гарнизона. Уже 16 октября председатель Петросовета Троцкий приказывает выдать красногвардейцам 5 тысяч винтовок. В период 21–23 октября большевики проводят серию митингов среди колеблющихся солдат. Ораторское искусство Троцкого сильно помогло большевикам склонить на свою сторону колеблющиеся части гарнизона. 23 октября Троцкий лично «разагитирует» гарнизон Петропавловской крепости. 25–26 октября выступает в качестве главного большевистского оратора на II Съезде Советов. Фактически Троцкий был одним из главных руководителей Октябрьской революции. «Быстрым переходом гарнизона на сторону Совета и умелой постановкой работы Военно-революционного комитета партия обязана прежде всего и главным образом товарищу Троцкому», – писал Сталин.

При наступлении на Петроград войск генерала П.Н. Краснова в октябре (ноябре) 1917 года Троцкий организовывал оборону города. 29 октября лично проверяет на Путиловском заводе подготовку артиллерийских орудий и бронепоезда, 30 октября лично прибыл на Пулковские высоты, где состоялось решающее столкновение между революционными силами и казаками генерала Краснова.

После победы восстания в октябре 1917 года ВРК вплоть до своего самороспуска в декабре фактически оказался единственной реальной силой в Петрограде, в отсутствие ещё не успевшей сформироваться новой государственной машины. При ВРК образуется «комиссия по борьбе с контрреволюцией», ВРК закрывает своей властью ряд газет, организует продовольственное снабжение города. Уже 7 ноября Троцкий от имени ВРК публикует в «Известиях» воззвание «Вниманию всех граждан», объявляющее, что «богатые классы оказывают сопротивление новому Советскому правительству, правительству рабочих, солдат и крестьян. Мы предупреждаем богатые классы и их сторонников: если они не прекратят свой саботаж… то они будут лишены права получать продукты. Все запасы, имеющиеся у них, будут реквизированы. Имущество главных виновников будет конфисковано». 2 декабря Петросовет под председательством Троцкого принимает резолюцию «О пьянстве и погромах»: разоружить и арестовать всех, порочивших себя участием в пьянстве и разгроме.

Практически немедленно после прихода большевиков к власти как Ленин, так и Троцкий делают целый ряд жёстких заявлений о полной готовности бороться со своими политическими противниками любыми методами. 17 декабря 1917 года, в своём обращении к кадетам, Троцкий заявляет о начале стадии массового террора по отношению к врагам революции. Понятие «красный террор» было сформулировано Троцким как «орудие, применяемое против обреченного на гибель класса, который не хочет погибать».

II Всероссийский Съезд Советов рабочих и солдатских депутатов назначил Троцкого наркомом иностранных дел. Троцкому принадлежит авторство термина «нарком» (народный комиссар).

5 декабря 1917 года Петроградский ВРК объявляет о самороспуске. 13 декабря Троцкий передаёт полномочия председателя Петросовета Зиновьеву. Приступив к работе наркоминдела, Троцкий начинает опубликование тайных договоров царского правительства, что являлось одной из программных задач большевиков. Тайные договоры «старого режима» широко использовались в большевистской агитации для показа «грабительского» и «захватнического» духа Первой мировой войны.

Новая власть вскоре столкнулась с международной дипломатической изоляцией; переговоры Троцкого с находившимися в Петрограде иностранными послами результатов не дали. Все державы Антанты, а затем и нейтральные государства отказались признавать законность новой власти и разорвали с ней дипломатические отношения. Германия отказывается терпеть дальнейшее затягивание переговоров и 22 февраля 1918 года переходит в наступление. Бывшая Российская императорская армия к этому времени окончательно прекращает своё существование и оказывается не в состоянии как-либо помешать немцам. Признав провал своей политики, Троцкий 22 февраля подаёт в отставку с поста наркоминдела.

Во время борьбы Ленина за Брестский мир Троцкий фактически его поддержал, что обеспечило Ленину большинство голосов.

14 марта он получил пост наркома по военным делам, 28 марта – председателя Высшего военного совета, в апреле – народного комиссара по морским делам, 6 сентября – председателя Революционного военного совета РСФСР

Уже в январе 1918 года начато формирование РККА, однако вплоть до лета 1918 года Красная армия существует по большей части на бумаге. Толчком к формированию регулярной армии стало выступление чехословацкого корпуса. Чехословацкий корпус был сформирован в составе российской армии осенью 1917 года, в основном из пленных чехов и словаков, выразивших желание участвовать в войне против Германии и Австро-Венгрии. Летом 1918 года бывшие пленные чехословаки оказались чуть ли не единственной военной силой в стране, сохранившей боеспособность. В борьбе с ними Троцкий становится первым главнокомандующим Красной армии и одним из её основателей. В августе 1918 года Троцкий формирует тщательно организованный «поезд Предреввоенсовета», в котором, с этого момента, он в основном и живёт два с половиной года, непрерывно передвигаясь по фронтам Гражданской войны. В качестве «военного лидера» большевизма Троцкий проявляет несомненные пропагандистские способности, личную смелость и явную жестокость. Он наводит среди красноармейцев дисциплину, прибегнув, например, к расстрелам каждого десятого солдата 2-го Петроградского полка, самовольно бежавшего со своих боевых позиций.

Несомненным личным вкладом Троцкого в боевые действия Гражданской войны стала оборона Петрограда 1919 года от армии Юденича. Троцкий своими выступлениями смог поднять упавший боевой дух войск, параллельно пустив слух, что танки Юденича «сделаны из крашеного дерева». После этого красноармейцы наконец смогли воспользоваться своим численным преимуществом и разгромить Белую гвардию.

Несколько раз Троцкий, рискуя своей жизнью, выступает с речами даже перед дезертирами.

Убедившись, что армия, построенная на началах всеобщего равенства и добровольности, оказалась небоеспособной, Троцкий постепенно восстанавливает мобилизации, единоначалие, знаки отличия, единую форму одежды, воинские приветствия и парады.

Однако бурная деятельность непрерывно колесившего по фронтам Троцкого начинает всё чаще вызывать раздражение целого ряда его подчинённых, приводя ко множеству громких личных ссор. Самой значительной из них стал личный конфликт Троцкого со Сталиным и Ворошиловым во время обороны Царицына в 1918 году.

Осенью 1919 года численность Красной армии дошла до трёх миллионов человек, тогда как все белогвардейские армии, вместе взятые, доходили только до 250 тысяч.