Во время попытки реакционного военного переворота со стороны генерала Л. Г. Корнилова, в августе 1917, Бонч-Бруевич, активно сотрудничал в его подавлении с исполняющим обязанности политического комиссара Северного фронта эсером Савицким. В результате 29 августа 1917, командующий Северным фронтом генерал В. Н. Клембовский, занявший позицию осторожной поддержки Корнилова, был смещён Временным правительством и Бонч-Бруевич был назначен временно исполняющим должность командующего этим фронтом. В качестве нового командующего фронтом Бонч-Бруевич арестовал в Пскове генерал-лейтенанта П. Н. Краснова, назначенного генералом Корниловым командиром 3-го конного корпуса и направлявшегося к частям, этого корпуса двигавшимся к Петрограду.
9 сентября 1917, Бонч-Бруевич заменён на посту командующего Северным фронтом генералом В. А. Черемисовым и назначен в распоряжение Верховного Главнокомандующего. Прибыв в Ставку Верховного Главнокомандующего в городе Могилёв, Бонч-Бруевич сразу же установил связь с Могилёвским Советом рабочих и солдатских депутатов и 27 сентября 1917, стал членом его Исполкома.
В начале октября 1917, Бонч-Бруевич отклонил предложения Керенского о назначение его либо генерал-губернатором Юго-Западного края (с резиденцией в Киеве) либо генерал-губернатором Степного края (с резиденцией в Омске) и принял предложение о назначение на должность начальника гарнизона города Могилёв.
Во время Октябрьской революции М. Д. Бонч-Бруевич стал одним из первых генералов, перешедшим на сторону большевиков.
После отказа Верховного Главнокомандующего генерала Н. Н. Духонина 9 ноября 1917, выполнить распоряжение Совнаркома и начать мирные переговоры с Германией, Совнарком предложил Бонч-Бруевичу занять пост Верховного Главнокомандующего, но он отказался, считая, что в сложившейся ситуации этот пост должен занимать политический деятель, и вскоре Верховным Главнокомандующим был назначен известный большевик, бывший прапорщик Н. В. Крыленко.
Когда революционные отряды под командованием Крыленко подошли к Могилёву, где находилась Ставка, генерал Бонч-Бруевич, как начальник Могилёвского гарнизона, предотвратил столкновение между ними и войсками, находившимися в городе.
После занятия Ставки революционными отрядами, Бонч-Бруевич был назначен 20 ноября 1917, начальником штаба Верховного Главнокомандующего. На этой должности он всячески стремился сохранить боеспособность армии. 27 ноября 1917, в разговоре по прямому проводу с временно исполняющим должность главкома Юго-Западного фронта генералом Н. Н. Стоговым Бонч-Бруевич заявил: "Все начальники отделов Ставки со мною вместе выразили вполне определённое решение сохранить технический аппарат Ставки и принять все меры к тому, чтобы сохранить аппарат управления во фронтах и армиях. Такое наше решение вытекает из преданности общему делу спасения Отечества, и мы все решили, считаясь с текущим моментом, работать на своих местах до последней возможности".
Помимо штабной работы М. Д. Бонч-Бруевич, используя свой опыт периода 1914–1915 годов в качестве руководителя военной разведки и контрразведки сначала армии, а затем и фронта, постоянно консультировал своего брата В. Д. Бонч-Бруевича по вопросам ведения контрразведывательной деятельности, а также снабжал соответствующей служебной литературой по этому вопросу, издававшейся до революции.
После разрыва мирных переговоров в Брест — Литовске и перехода германских войск в наступление по всей линии фронта М. Д. Бонч-Бруевич получил 19 февраля 1918, телеграмму В. И. Ленина с требованием "немедленно, с наличным составом Ставки прибыть в Петроград". Выехав 20 февраля 1917, из Могилёва, он прибыл в столицу вечером 22 февраля 1917, и тут же включился в организацию отпора наступающему врагу.
В тот же день 22 февраля 1918, М. Д. Бонч-Бруевич подписал обращение к командованию Северного и Западного фронтов и Советам прифронтовых городов, в котором говорилось: "Прошу Совдепы оказать содействие начальникам в деле сбора отступающих частей и отдельных солдат, образуя из них боеспособные части, которые должны положить конец наступлению противника. Для исполнения необходимых сапёрных работ предлагаю пользоваться трудом местных жителей". (Сборник документов "Октябрьская революция и армия. 25 октября 1917 — март 1918 года" — М.: Наука, 1973. — с. 402).
В феврале-марте 1918 года М. Д. Бонч-Бруевич был членом Комитета революционной обороны Петрограда, который возглавлял его брат В. Д. Бонч-Бруевич.
После подписания Брестского мира с Германией и её союзниками, генерал Бонч-Бруевич 4 марта 1918, был назначен руководителем Высшего Военного Совета (ВВС). В этой должности. Бонч-Бруевич занимался созданием на бывшей линии фронта частей "Западной завесы", которая должна была воспрепятствовать дальнейшему продвижению вглубь страны германских и австро-венгерских войск.