Після лютневої революції, в травні 1917 року разом з іншими засланими більшовиками Орджонікідзе виїжджає до Іркутська, а звідти — в Петроград. Тут його вводять до складу бюро Петроградського комітету РСДРП(б) та виконавчого комітенту Петроградської ради. На початку вересня 1917 року Серго виїздить до Закавказзя, повертається у Петроград 6 листопада 1917 року. Брав найактивнішу участь у захопленні влади більшовиками.