واستمر تروتسكي في نشاطه وكتاباته الثورية سواء في داخل روسيا أو في أوربا أو الولايات المتحدة، حيث لعب دوراً مهماً في ثورة ١٩٠٥ في روسيا، وكان رئيساً لسوفييت بتروجراد، حيث برزت موهبته التنظيمية والقيادية الفذة. وتعرَّض تروتسكي للسجن في روسيا مرة أخرى عام ١٩٠٥، وللطرد من فرنسا عام ١٩١٦. وقد اتخذ موقفاً معادياً للحرب العالمية الأولى استناداً إلى رؤيته الأممية. ومع اندلاع ثورة فبراير ١٩١٧، عاد إلى روسيا وبدأ التعاون مع لينين. وقد ألقت حكومة كرنسكي الانتقالية القبض عليه، ولكن تم الإفراج عنه بعد فترة وجيزة. وأثناء سجنه، انتُخب عضواً في اللجنة المركزية للبلاشفة ورئيساً لسوفييت بتروجراد ولجنتها العسكرية. ونظَّم تروتسكي وقاد الانتفاضة المسلحة التي جاءت بالبلاشفة إلى الحكم في أكتوبر من العام نفسه.
وفي أول حكومة شكلها البلاشفة عام ١٩١٧، تولَّى تروتسكي منصب مفوض أو قوميسار الشعب للشئون الخارجية، وترأَّس وفد بلاده لمحادثات السلام في برست ليتوفسك. وقد اختلف تروتسكي مع لينين حول مسألة السلام مع ألمانيا، حيث رفض فكرة السلام بأي ثمن وتبنَّى فكرة إنهاء القتال مع عدم إنهاء الحرب على أمل أن تقوم البروليتاريا الألمانية بثورتها.