Krylenko se aktivně podílel na přípravě říjnové revoluce 1917 v Petrohradu jako nově zvolený předseda I. sjezdu sovětů severní oblasti a vedoucí člen Vojenského revolučního výboru. 16. října, deset dní před povstáním, oznámil bolševickému ústřednímu výboru, že petrohradští vojáci by v případě povstání podpořili bolševiky. Během bolševického převzetí moci ve dnech 24. a 25. října byl Krylenko jedním z vůdců povstání spolu s Lvem Trockým, Adolfem Joffem a Vladimirem Antonovem-Ovsejenkem.