Vuoden 1917 helmikuun vallankumouksen jälkeen Trotski palasi Venäjälle. Hän ei kuulunut enää menševikkeihin, vaan liittyi aluksi sosiaalidemokraattien "mežraiontsy"-ryhmään ja hieman myöhemmin bolševikkeihin. Trotski nousi nopeasti bolševikkipuolueen johtoon, ja lokakuun vallankumouksen jälkeen hänestä tuli uuden hallituksen sotilas- ja laivastoasiain kansankomissaari (’puolustusministeri’). Tässä tehtävässä hän oli keskeisesti luomassa puna-armeijaa ja vaikuttamassa bolševikkien voittoon Venäjän sisällisodassa. Hän oli osaltaan vastuussa teloituksista, Kronstadtin kapinan kukistamisesta ja bolševikkivastaisen toiminnan väkivaltaisesta tukahduttamisesta.