De vuelta en Rusia en 1905 participó en la Revolución como organizador del primer sóviet o consejo revolucionario y, tras el fracaso de esta, fue nuevamente deportado a Siberia, de donde pudo volver a escapar. En cuanto estalló la Revolución de febrero de 1917 que destronó a Nicolás II se trasladó a Rusia para ponerse al servicio del Partido Bolchevique, que lo eligió como presidente del sóviet de Petrogrado. Desempeñó un papel esencial en la conquista del poder de Lenin al ser el principal responsable de la toma del Palacio de Inverno que instauraba el comunismo en Rusia.
Su papel en el gobierno fue crucial hasta la muerte del principal líder soviético, entre otras cosas por su negociación de la paz de Brest-Litovsk con Alemania que suponía la retirada del país de la Primera Guerra Mundial. Posteriormente fue comisario de Guerra (1918-1925), cargo desde el cual organizó el Ejército Rojo, y fue designado sucesor por Lenin antes de morir en 1924, pero se encontró con la ambición de Stalin, que contaba con fuertes apoyos en el aparato del partido y que le impidió acceder al poder apartándolo de la dirección en 1925 y desterrándolo del país en 1929.
En el exilio escribió obras como como La revolución permanente (1930) o la Historia de la Revolución Rusa (1932). Finalmente, fue asesinado por un agente soviético, Ramón Mercader, por órdenes de Stalin.