Krigen nærmet seg, og Trotskij flyttet først til det nøytrale Sveits, deretter til Frankrike. Han ble deportert fra Frankrike og bodde i New York da den russiske revolusjonen kastet tsaren. Han vendte tilbake til Russland i mai 1917 for å støtte opp om revolusjonen og bolsjevikenes linje. Etter noen måneder ble han formelt medlem i Bolsjevikpartiet. Trotskij deltok aktivt for å få kastet den provisoriske regjeringen, ledet av Aleksander Kerenskij, og var selv leder av den revolusjonære militærkomité som planla og gjennomførte selve maktovertagelsen 25. oktober.