С Февральской революцией Затонский порвал с меньшевиками и перешёл на сторону большевиков — в марте вступил в РСДРП(б). В том же году он стал членом, а с ноября — председателем Киевского комитета РСДРП(б). Был одним из руководителей октябрьского вооружённого восстания в Киеве, членом ревкома.