Po únorové revoluci se Kosior přestěhoval do Petrohradu, v jehož Narevsko-Petěrgovském rajónu vedl místní pobočku bolševiků a obvodní sovět, v Petrohradě se účastnil i říjnové revoluce. Po brestlitevském míru Kosior odjel na Ukrajinu, zprvu jako lidový komisař financí ukrajinské sovětské vlády, později zastával různé jiné funkce, v druhé polovině roku 1918 se přesunul do Němci kontrolovaných oblastí Ober-Ost na Ukrajině a vedl tamní stranické organizace. Později patřil k vedení ukrajinských bolševiků jako člen politbyra (květen 1919 – listopad 1920 a roku 1922) a tajemník ÚV (s přestávkami od května 1919 do října 1922). V říjnu 1922 byl přeložen na Sibiř na místo tajemníka sibiřského byra, resp. sibiřského krajského výboru strany. V letech 1926 až 1928 byl tajemníkem ústředního výboru VKS(b).