Uczestniczył w przygotowaniu przewrotu bolszewickiego w Piotrogrodzie, będąc w kontakcie z przywódcami bolszewickimi w stolicy Rosji – sam przebywał w tym czasie w Helsingforsie. 24 października (6 listopada) otrzymał tam telegram od Władimira Antonowa-Owsiejenki, wzywający go do sprowadzenia marynarzy i okrętów do Piotrogrodu, który był umówionym sygnałem do buntu przeciwko Rządowi Tymczasowemu. W odpowiedzi Dybienko zapewnił, że okręty pojawią się w rosyjskiej stolicy następnego dnia rano. On również przekonał przewodniczącego komitetu marynarzy krążownika "Aurora", by okręt pozostał w Piotrogrodzie w nocy z 25 na 26 października (7 na 8 listopada) i wziął udział w obaleniu rządu.