רעיון הקונגרס היהודי לא הספיק להגיע לכלל מימוש, ובינתיים נפל הצאר הרוסי מכיסאו במהפכת פברואר 1917.
מספר שבועות לאחר פרוץ המהפכה, הגיע לניו-יורק בוריס באכמיטב, ידידו של רוטנברג מהמפלגה הסוציאל-רבולוציונרית ונציג ממשלת רוסיה המהפכנית, ורוטנברג נבחר לשמש יושב ראש האספה שנערכה לכבודו באולם מדיסון סקוור גארדן. על פי הנחייתו, לא ניתן לציונים הסוציאליסטים לדבר בכינוס. בעקבות האירועים ברוסיה, החליט רוטנברג לשוב אליה, וב-11 ביולי 1917 עזב את ארצות הברית.
ברוסיה.
רוטנברג היה מקורב לאלכסנדר קרנסקי, ראש הממשלה המהפכנית הרוסית, שהיה איתו במפלגה הסוציאל-רבולוציונית. קרנסקי לא תמך ביסודות האינטרנציונליסטיים של הבולשביקים, שמפלגת "פועלי ציון" הייתה קרובה אליהם. כשרוטנברג היה בסטוקהולם בין 1 ל-10 באוגוסט 1917, הוא הצליח לסדר לבורוכוב היתר כניסה מסטוקהולם לרוסיה ב-2 בספטמבר 1917.
אחרי שחזר לרוסיה מסטוקהולם, היה רוטנברג במחלוקת עם נחום ניר, איש מפלגת "פועלי ציון" ברוסיה. רוטנברג רצה קודם לכונן רפובליקה בישראל ("טריטוריאליזציה פוליטית" שהתבססה על ציונות מדינית), ניר רצה עלייה חופשית לארץ ישראל ("טריטוריאליזציה כלכלית" שהתבססה על ציונות מעשית), ובורוכוב אימץ את שתי השיטות עוד ב-1914.
ימים אחדים אחרי בואו לרוסיה מונה רוטנברג על ידי קרנסקי לסגן המושל של עיר הבירה פטרוגראד, וב-21 באוקטובר (3 בנובמבר) שימש גם בוועדה עליונה בת שלושה חברים שהופקדה על שמירת החוק והסדר בעיר. רוטנברג הנהיג יד קשה בדיכוי המבקשים למוטט את המשטר החדש והיו ידיעות על כך שמספר ימים לפני פרוץ המהפכה הבולשביקית, הציע לקרנסקי לאסור את לנין ואת טרוצקי ולתלות אותם, בעוון חתרנות וניסיון לפגוע בשלום המהפכה, אך קרנסקי סירב. לאחר המהפכה נאסר על ידי הבולשביקים ונכלא במשך שישה חודשים במבצר פטרופבלובסקיה. הוא שוחרר בעקבות בקשתם של מקסים גורקי ואלכסנדרה קולונטאי.
רוטנברג עבר למוסקבה ועבד במנגנון המרכזי של התנועה הקואופרטיבית.
בעקבות ניסיון ההתנקשות בלנין על ידי פאניה קפלן (30 באוגוסט 1918) והגברת הרדיפות נגד פעילי המפלגה הסוציאל-רבולוציונרית על ידי השלטונות הסובייטיים, נסע דרומה לאודסה, והתגייס לשירותה של הממשלה האנטי-בולשביקית ששלטה בה בחסות צבאות ההתערבות הצרפתיים, שפלשו לרוסיה כתגובת נגד למהפכת אוקטובר. במשך תקופה קצרה אף שימש בממשלה זו כשר לענייני אספקה, אולם עם התקרבות הצבא האדום, נאלץ לברוח. הוא הגיע לטורקיה ולאחר מכן לפריז.
פועלו בארץ ישראל.
בשלהי שנת 1919 עלה רוטנברג לארץ ישראל. הוא עבד כמומחה בשירות ועד הצירים בארץ ישראל, ובתפקידו זה פתח משרד הכפוף לוועד, שכר אנשי מקצוע וערך סקר כללי של משק המים בארץ. בשלב זה היה חסר אמצעים וכל ההוצאות הכספיות עבור הסקר מומנו מכספי ההסתדרות הציונית.
ב-1 בינואר 1920 ביצע את פעולתו הציבורית הראשונה בארץ ישראל – הגשת סיוע לנפגעי סופות השלגים בירושלים. בסוף ינואר הגיע הרברט סמואל לביקור בארץ ישראל שנמשך חודשיים, במהלכו נפגש עם רוטנברג, שהציג בפניו תוכנית של אפשרויות ניצול החשמל בארץ.
בזמן מאורעות תר"פ באפריל 1920, היה לרוטנברג חלק מכריע בארגון ההגנה היהודית בירושלים בשיתוף פעולה עם זאב ז'בוטינסקי. רוטנברג היה מעורב בעניינים רבים הקשורים ליישוב, אך הוא מיהר לסיים את מחקרו, וכבר ביוני 1920 הגיש לוועד הצירים תוכנית כוללת למפעל חשמל והשקיה בארץ ישראל. המסמך המהודר הודפס באנגלית ובעברית, ורוטנברג הדגיש בו את חשיבותה של העבודה העברית: "פועלים עבריים בא"י נכונים וגם מוכשרים הם לפנות לכל עבודה ואף להיותר סבוכה ומיגעה... א"י תהא עברית אך ורק כשכל העבודה שדבר לה עם בניין החיים תצא לפעולות על ידי פועלים עבריים... בנין הארץ על ידי עבודה ערבית יביא לידי יצירת פלשתינא ערבית ולא א"י עברית למרות כל סכומי ההון היהודי שישקיעו בה".
בקיץ 1920 הפקידה הממשלה בידי רוטנברג את מפעל סלילת כביש טבריה-צמח. הוא עסק בארגון כוח העובדים היהודים ובהסדרת תנאי עבודתם ומחייתם במקום. בעבודה זו יצר את קשריו הראשונים עם ראשי תנועת הפועלים בארץ ישראל.
על רקע סוגיית קביעת גבול הצפון של ארץ ישראל המנדטורית, הופעל לחץ ציוני להכללת נהר הליטני ומקורות הירדן והירמוך בגבולות הארץ. רוטנברג חשש שתוכניתו בסכנת ביטול, ועקב כך נרתם ללחץ הדיפלומטי. במחצית השנייה של אוגוסט 1920 הגיע למשרדי ההסתדרות הציונית בלונדון, ובתחילת אוקטובר עסק בפריז עם אנשי השדולה היהודית-ציונית בניסיונות לעכב את חתימת הסכם הגבולות בין בריטניה וצרפת ולהרחיק את קו הגבול צפונה, אל מעבר לליטני. אולם הניסיונות כשלו וב-23 בדצמבר 1920 נחתם ההסכם הסופי על תוואי גבול הצפון, ללא הסכמת צרפת לשינוי הטריטוריאלי.
משא ומתן על הענקת זיכיון לייצור חשמל.
בספטמבר–אוקטובר 1920 הציע רוטנברג תוכניות מקיפות לפיתוח מפעלי מים, ניקוז מים, סיכור, פיתוח קרקע, ותעלות השקיה.
ב-28 באוקטובר הפקיד נשיא ההסתדרות הציונית חיים ויצמן בידי רוטנברג, מכתב שהופנה אל הנציב העליון, הרברט סמואל, בו תיאר את רוטנברג כמוסמך מטעם ההסתדרות הציונית לנהל בשמה את המשא ומתן על קבלת הזיכיונות למפעל החשמל.
ב-8 בדצמבר נפגש רוטנברג עם סמואל וקיבל ממנו מכתב המלצה המעיד על יחסה החיובי של ממשלת בריטניה למפעל החשמל שלו. השיחה עסקה גם בנושאים נוספים הקשורים בארץ ישראל, המעידים על כך שרוטנברג נחשב כבר אז לנציג מוכר של היישוב העברי.
בפברואר 1921 ביקר רוטנברג בלונדון ונפגש לראשונה עם פקידי משרד החוץ ומשרד המושבות שעתידים היו לעסוק באישור זיכיונות החשמל. הוא המשיך לארצות הברית, שם השתתף באירועים ציבוריים לצורך איסוף כספים להקמת מפעל החשמל, מצויד במכתב ההמלצה מאת הנציב העליון. במרץ 1921 שב לארץ ישראל והציג בפני שר המושבות החדש, וינסטון צ'רצ'יל, בעת ביקורו בירושלים, את תוכניתו לגבי הירדן והירקון וחשמול הרכבות, וזכה לתגובה חיובית.
בזמן מאורעות תרפ"א במאי 1921, הטיל ועד הצירים על רוטנברג לארגן את הגנת היישוב היהודי באזור תל אביב. בתוקף תפקידו זה, החליט, בניגוד לדעת חבריו בוועד ה"הגנה", להורות על פינוי יישובים יהודים קטנים, בהם מקוה ישראל, בן שמן וחולדה.
ב-14 ביוני 1921 נאם צ'רצ'יל בבית הנבחרים ורמז על המדיניות הנדרשת עתה לגבי המפעל הציוני, על רקע הזעם הערבי שהתפרץ במאורעות: "בעזרת פיתוח מתאים של משאבי הטבע בארץ־ישראל ואם יימצא ההון היהודי לכינונם של מפעלי השקיה ותחנות כוח על הירדן, אין לי ספק שמדי שנה בשנה ייווצרו מקורות קיום חדשים לחיי רווחה למספר סביר של עולים חדשים יהודים, ותהליך זה יגביר את רווחתם של כל בני הקהילה, ערבים כיהודים". הייתה זו ההתייחסות הפומבית הראשונה למפעליו של רוטנברג כבעלי חשיבות פוליטית ולא רק כלכלית, והיא ביטאה שינוי במעמדם: לממשלת בריטניה היה עתה אינטרס ברור בהצלחתם.
בסוף יוני 1921 הגיע רוטנברג ללונדון כדי ללבן עם עורך דינו, נתן אופנהיימר, את סעיפי הסכם הזיכיון. עוד באמצע מאי הגיש לנציב העליון מסמך המפרט את יתרונות חשמולה של מסילת הברזל, בעיקר בקו יפו–ירושלים, אלא שהמסילה בקו זה הייתה שייכת לחברה צרפתית ומאחר שהממשלה הייתה צריכה לרכוש אותה לשם כך, הוסר הדיון בנושא מעל לפרק. בתגובה לטענות פקידי משרד המושבות, לגבי הענקת הבלעדיות למבקש הזיכיון, הצדיק זאת הרברט סמואל בנימוק שהמשקיעים יצטרכו להשקיע סכומים אדירים להפקת כמות חשמל שתהיה גדולה הרבה יותר מזו הדרושה בעתיד הקרוב בארץ ישראל.
ב-5 ביולי נערכה פגישה בין רוטנברג ואופנהיימר ובין כל פקידי מחלקת המזרח התיכון שטיפלו בנושא. רוטנברג התפשר על מספר דרישות של פקידי משרד המושבות, אולם עמד בתוקף על שתי דרישות משלו: ציון מפורש של ההסתדרות הציונית בכתב הזיכיון כגורם שהממשלה חייבת להיוועץ בו (וזאת על אף שבשלב זה כבר הופיע כיזם עצמאי), והענקת שטח של 50,000 דונם בסביבות תחנת הכוח על הירדן, לצורך הקמת יישוב יהודי גדול, שיגן על המפעל היקר מפני מתנכלים ולתושביו יהיה אינטרס מובהק בהצלחתו. האלטרנטיבה לכך, לטענתו, תהיה יקרה יותר ופחות נוחה: שיכון קבע במקום של כוח משטרה גדול. במהלך חודשים יולי–ספטמבר נערכו דיונים עם פקידי משרד המושבות, בהם הסכים רוטנברג לדחות את ההכרעה לגבי שתי דרישותיו אלו. לאחר פגישה עם פקידי סוכני הכתר ב-23 באוגוסט, הסכים לחלופה שהציעו המומחים, להתחייבות הממשלה לחשמול המסילה: הממשלה תתחייב לקנות מראש כמות קבועה של חשמל מדי שנה.
דרישה להסכמת הערבים.
בתקופה זו בה שהה בלונדון, שהתה בעיר גם המשלחת הפלסטינית הראשונה לשם, מטעם הקונגרס הערבי-פלסטיני. חברי המשלחת סירבו בתוקף להיפגש עם חיים ויצמן ונציגי ההסתדרות הציונית, אך הסכימו להיפגש עם רוטנברג, מתוך הנחה שהוא מייצג את המתונים ביישוב היהודי בארץ ישראל. ב-30 באוגוסט 1921 נפגש רוטנברג עם חברי המשלחת אבראהים שמאס ומועין אל-מאדי. לאחר הפגישה שלח רוטנברג מכתב סיכום לראש המשלחת, מוסא כאט'ם אל-חוסייני, וביקש ממנו לתמוך במפעל החשמל, על בסיס ההבהרות שעלו בפגישה: יינתנו זכויות שוות לכל תושבי הארץ מהפעלת מפעל החשמל; כל אזרחי הארץ יוזמנו להשקיע בהקמת החברה והנהלתה תייצג את כל המשקיעים; עובדי התחנה יועסקו ללא אפליה וגם המהנדסים ייבחרו על פי כישוריהם בלבד; ויינתן סיוע לרשויות המקומיות הערביות לגייס כספי הלוואות שיאפשרו להן להתחבר לרשת החשמל.