Тем не менее 21 октября гарнизон перешел на сторону ПВРК. Последний тут же обратился к населению с воззванием, предупреждавшим, что без подписи ПВРК никакая директива гарнизона не будет действительна. Керенский в ультимативной форме потребовал от ПВРК отмены этого документа. Началась проба сил. Утром 24 октября Керенский приказал закрыть типографию большевиков. Последние заняли ее снова. Для разработки плана действий в Смольном собрался ЦК большевиков. В восстании должны были слиться два самостоятельных потока: государственный переворот, организованный ПВРК от имени Петроградского Совета, чтобы защитить революцию, и пролетарское восстание под руководством Военно-революционного центра. Фикция двух этапов операции — оборонительного («защитить съезд Советов от действий правительства и старого Исполкома с эсеро-меньшевистским большинством») и наступательного (связанного с деятельностью Ленина, вышедшего 25 октября из подполья) — должна была быть выдержана до конца.
Вечером 24 октября Красная гвардия и несколько военных частей, действуя от имени Совета, захватили, не встретив сопротивления, невские мосты и стратегические центры (почты, телеграф, вокзалы). За несколько часов весь город перешел под контроль восставших. Только Зимний дворец, где заседало Временное правительство, еще держался. Керенский тщетно пытался установить контакт со штабом. Там не вполне осознавали характер событий и не спешили оказать помощь победителю Корнилова. Утром 25 октября Керенский отправился за подкреплением. Не дожидаясь отправки ультиматума правительству, по инициативе Ленина было опубликовано в 10 часов утра воззвание ПВРК, в котором говорилось, что правительство низложено и что власть перешла в руки ПВРК. Это заявление до взятия власти II съездом Советов представляло собой настоящий государственный переворот. В первом варианте воззвания ПВРК Ленин писал: «ПВРК созывает сегодня на 12.00 Петроградский Совет. Принимаются неотложные меры для установления советской власти». Изменение симптоматично. Испытывая недоверие к «революционному легализму» Петроградского Совета, то есть Троцкого, к «соглашательскому духу» своих товарищей из ЦК, которых он подозревал в готовности войти в переговоры с другими социалистическими силами, Ленин хотел сосредоточить всю полноту власти в руках органа, созданного в процессе восстания, органа, который ни в чем не зависел бы от съезда Советов. Этот шаг делал неизбежным еще до открытия II съезда Советов разрыв между Лениным и другими революционными организациями, которые считали себя вправе претендовать на частицу нового авторитета и новой власти.
Во второй половине дня 25 октября Ленин, появившись впервые после июня перед народом, заявил на сессии Петроградского Совета: «Рабочая и крестьянская революция, о необходимости которой все время говорили большевики, свершилась. Угнетенные массы сами создадут власть. В корне будет разбит старый государственный аппарат и будет создан новый аппарат управления в лице советских организаций.
Отныне наступает новая полоса в истории России, и данная, третья русская революция должна в своем конечном итоге привести к победе социализма». «Но вы предопределяете волю съезда Советов», — возразил кто-то. «Нет, — ответил Троцкий, — именно рабочие и солдаты, восстав, предопределили волю съезда».
Однако победа большевиков оставалась неполной, так как в Зимнем дворце еще заседало правительство. В половине седьмого вечера оно получило ультиматум ПВРК, который давал ему 20 минут на решение вопроса о капитуляции. В действительности же штурм Зимнего дворца произошел позднее, ночью, после того как крейсер «Аврора» сделал несколько холостых выстрелов в сторону дворца. В два часа утра Антонов-Овсеенко от имени ПВРК арестовал членов Временного правительства. Бои, в которых приняли участие с той и с другой стороны не более нескольких сот человек, завершились с минимальными потерями (6 убитых среди обороняющихся, ни одного среди нападавших).