W Piotrogrodzie Trocki natychmiast podjął intensywną działalność polityczną, ostro krytykując kolejne rządy i występując w obronie Piotrogrodzkiej Rady Delegatów Robotniczych i Żołnierskich. Należał wówczas do tzw. frakcji międzydzielnicowców (ros. "miezrajoncy"), odrębnej od frakcji bolszewickiej i mienszewickiej SDPRR. Po rozruchach lipcowych 23 lipca trafił do więzienia ze sfabrykowanymi zarzutami o szpiegostwo na rzecz Niemiec. Więzienie opuścił 4 września. Przystąpił do bolszewików we wrześniu 1917 roku, by od razu znaleźć się w Komitecie Centralnym SDPRR(b). W miesiącach poprzedzających Rewolucję Październikową Trocki był jednym z jej „kół napędowych” – zręcznym mówcą, bardzo popularnym wśród robotników i żołnierzy, a także organizatorem politycznym o rosnących wpływach.