Josef Stalin
ke Petrograd pada bulan Maret. Di situ, Stalin dan rekan sejawatnya Lev Kamenev mengambil alih harian "Pravda", dan Stalin diangkat menjadi perwakilan Bolshevik di Komite Eksekutif Soviet Petrograd, yaitu dewan buruh kota yang berpengaruh. Pada bulan April, Stalin meraih peringkat ketiga dalam pemilihan anggota Komite Pusat Bolshevik, sementara Lenin meraih peringkat pertama dan Zinoviev mencapai peringkat kedua. Ini menunjukkan bagaimana Stalin telah menjadi tokoh senior Bolshevik pada masa itu.
Stalin membantu mengadakan pemberontakan Hari-hari Juli yang menjadi unjuk kekuatan Bolshevik. Setelah pemberontakan tersebut dipadamkan, Pemerintahan Sementara mengambil tindakan keras terhadap kaum Bolshevik dan menyerbu kantor harian "Pravda". Selama penyerbuan tersebut, Stalin menyelundupkan Lenin keluar dari kantor surat kabar tersebut dan bertugas menjaga keamanan sang pemimpin Bolshevik;
ia memindahkannya ke tempat-tempat rahasia sebelum akhirnya menyelundupkannya ke Razliv. Di tengah ketidakhadiran Lenin, Stalin masih menyunting harian "Pravda" dan bertugas sebagai pelaksana jabatan pemimpin Bolshevik. Ia mengatur jalannya Kongres Keenam Partai yang diadakan diam-diam. Lenin mulai menyerukan agar kaum Bolshevik merebut kekuasaan dengan melengserkan
Pemerintahan Sementara dalam sebuah kudeta. Stalin dan Leon Trotsky mendukung rencana aksi Lenin, tetapi rencana ini ditentang oleh Kamenev dan anggota partai lainnya. Meskipun begitu, Lenin kembali ke Petrograd dan rencana kudetanya didukung oleh mayoritas hadirin dalam pertemuan Komite Pusat pada tanggal 10 Oktober.
Pada tanggal 24 Oktober, kepolisian menyerbu kantor-kantor surat kabar Bolshevik dan menghancurkan peralatan-peralatan yang ada di situ, tetapi Stalin berhasil menyelamatkan beberapa peralatannya untuk meneruskan kegiatannya. Pada pagi buta tanggal 25 Oktober, Stalin bergabung dengan Lenin dalam sebuah pertemuan Komite Pusat di Institut Smolny, dan selama pertemuan tersebut mereka mengarahkan kudeta Bolshevik. Milisi
Bolshevik merebut pembangkit listrik, kantor pos utama, bank negara, sentral telepon, dan beberapa jembatan. Sebuah kapal yang dikendalikan oleh kaum Bolshevik, yaitu "Aurora", menembak ke arah Istana Musim Dingin; pada akhirnya, para delegasi Pemerintahan Sementara menyerah dan ditangkap oleh Bolshevik. Meskipun ia telah ditugaskan untuk memberikan arahan kepada para delegasi Bolshevik dari Kongres Soviet
Kedua mengenai perkembangan situasi, peran Stalin dalam kudeta tersebut tak terlihat secara terbuka. Trotsky dan orang-orang Bolshevik lainnya yang kelak akan menjadi lawan Stalin menggunakan hal ini sebagai bukti bahwa ia sama sekali tidak berperan besar dalam kudeta tersebut, meskipun beberapa sejarawan telah membantah hal ini. Menurut sejarawan Oleg Khlevniuk, Stalin
"memenuhi sebuah peranan yang penting [dalam Revolusi Oktober]... sebagai seorang Bolshevik senior, anggota Komite Pusat partai, dan penyunting surat kabar utamanya".
Pada tanggal 26 Oktober, Lenin membentuk pemerintahan baru yang disebut Dewan Komisar Rakyat ("Sovnarkom"), dan ia berperan sebagai Ketua. Stalin menjadi salah satu anggota Bolshevik yang mendukung keputusan Lenin untuk tidak membentuk koalisi dengan kelompok Menshevik dan Partai Revolusioner Sosialis, meskipun kaum Bolshevik telah membentuk pemerintahan koalisi dengan
kelompok Revolusioner Sosialis. Stalin kemudian menjadi bagian dari kelompok tak resmi yang terdiri dari empat orang yang memimpin pemerintahan, bersama dengan Lenin, Trotsky, dan Sverdlov; dari empat diantaranya, Sverdlov seringkali tidak hadir, dan kemudian wafat pada Maret 1919. Kantor Stalin berada di dekat kantor Lenin di Institut Smolny, dan ia dan Trotsky adalah
satu-satunya orang yang diizinkan untuk mengakses ruang pribadi Lenin tanpa perlu membuat janji terlebih dahulu. Meskipun tidak seterkenal Lenin atau Trotsky, pengaruh Stalin di kalangan Bolshevik meningkat. Ia turut menandatangani dekret Lenin yang menutup surat-surat kabar yang berlawanan. Bersama dengan Sverdlov, ia mengetuai sesi-sesi komite yang merumuskan
konstitusi baru untuk Republik Sosialis Federatif Soviet Rusia. Ia sangat mendukung keputusan Lenin untuk membentuk badan keamanan Cheka dan juga Teror Merah yang dipicu oleh badan tersebut; sebagai catatan, ia merasa bahwa penggunaan kekerasan oleh negara merupakan alat yang mujarab bagi kekuatan kapitalis, sehingga menurutnya hal yang sama juga dapat dilakukan oleh
pemerintahan Soviet. Tidak seperti para Bolshevik senior lainnya seperti Kamenev dan Nikolai Bukharin, Stalin tak pernah mengungkapkan keprihatinannya terhadap pertumbuhan pesat organisasi Cheka dan teror yang diakibatkan olehnya.
Ia berhenti dari pekerjaannya sebagai seorang penyunting di koran "Pravda". Kemudian ia diangkat sebagai Komisar Rakyat untuk Kebangsaan. Pada bulan November, ia menandatangani Dekret tentang Kebangsaan, yang memberikan hak untuk memisahkan diri dan hak penentuan nasib sendiri kepada kaum minoritas di Rusia. Penandatanganan dekret ini merupakan langkah strategis yang dimaksudkan agar
kelompok minoritas mau mendukung kaum Bolshevik; sebenarnya kelompok Bolshevik berharap bahwa kelompok minoritas tidak sungguh-sungguh menginginkan kemerdekaan. Pada bulan yang sama, ia mendatangi Helsinki untuk berbicara dengan Partai Demokrat Sosial Finlandia. Stalin menjanjikan kemerdekaan kepada mereka, dan kemerdekaan itu akhirnya terwujud pada bulan Desember. Selain itu, departemen
yang dipimpin oleh Stalin mengalokasikan dana untuk mendirikan pers dan sekolah dalam bahasa berbagai etnis minoritas. Namun, kelompok Revolusioner Sosialis menuduh Stalin telah memanfaatkan perbincangan mengenai federalisme dan hak penentian nasib sendiri sebagai kedok dari kebijakan-kebijakan imperialis dan sentralisasi Sovnarkom.
Pemerintahan Lenin dipindah dari Petrograd ke Moskwa pada Maret 1918 karena pada masa itu Perang Dunia Pertama masih berkecamuk dan Rusia sedang bertempur melawan Blok Sentral. Stalin membawa Nadezhda Alliluyeva dengannya sebagai sekretarisnya; Stalin sendiri sudah lama menjadi teman orangtuanya. Pasangan tersebut akhirnya menikah, tetapi tanggal pernikahan mereka tidak diketahui secara pasti. Sementara itu,
Lenin menginginkan gencatan senjata dengan Blok Sentral tanpa memedulikan seberapa besar wilayah yang harus diserahkan sebagai gantinya, dan angan-angan ini didukung oleh Stalin. Stalin merasa bahwa gencatan senjata tersebut diperlukan karena menurutnya Eropa belum akan mengalami revolusi proletarian, walaupun pandangan ini membuat kesal Lenin. Lenin pada akhirnya berhasil meyakinkan
anggota Bolshevik senior lainnya mengenai pentingnya perjanjian perdamaian, sehingga ditandatanganilah Perjanjian Brest-Litovsk pada Maret 1918. Perjanjian tersebut memberikan banyak wilayah dan sumber daya kepada Blok Sentral dan membuat murka banyak orang di Rusia; Partai Revolusioner Sosialis bahkan langsung keluar dari pemerintahan koalisi sebagai akibat dari keputusan tersebut. Tak lama sesudahnya, nama partai PBDSR diganti menjadi Partai Komunis Rusia.
Setelah kelompok Bolshevik berhasil meraih kekuasaan, pasukan sayap dan menentang mereka, sehingga memicu Perang Saudara Rusia. Untuk mengamankan akses ke persediaan pangan yang sedang menipis, pada Mei 1918, Sovnarkom mengirim Stalin ke Tsaritsyn untuk mengurus pengadaan pangan di Rusia selatan. Ia ingin membuktikan kecakapannya sebagai seorang komandan, dan setibanya di sana ia mengambil alih
operasi-operasi militer regional. Ia berteman dengan dua tokoh militer, Kliment Voroshilov dan Semyon Budyonny, yang kemudian akan menjadi basis dukungan militer dan politiknya. Ia merasa yakin bahwa kemenangan itu dipastikan oleh keunggulan jumlah pasukan, sehingga ia mengirim banyak pasukan Tentara Merah untuk bertempur melawan Tentara Putih yang anti-Bolshevik di kawasan tersebut; namun,