В конце сентября В. И. Ленин шлет в ЦК письма, в которых дает тщательно продуманный план восстания, определяет его место — Петроград, считает необходимым сформировать штаб восстания. 10 октября по предложению В. И. Ленина ЦК принял решение о восстании и избрал Политбюро из 7 человек для руководства им. 12 октября по предложению большевиков Петроградский Совет создал штаб восстания — Военно-революционный комитет (ВРК) и утвердил положение о нем. В состав ВРК вошли представители Петроградского Совета, Военной организации, профсоюзов. ВРК избрал Бюро из большевиков В. А. Антонова-Овсеенко, Н. И. Подвойского, А. Д. Садовского и левых эсеров П. Е. Лазимира и Г. Д. Сухарькова. Председателем Бюро был избран П. Е. Лазимир. Это пока устраивало большевиков, так как облегчало привлечение на сторону восставших солдат и крестьян, идущих за левыми эсерами. 14 октября В. И. Ленин на конспиративной квартире машиниста Г. Ялавы встретился с Ф. Э. Дзержинским, В. А. Антоновым-Овсеенко, Н. И. Подвойским, В. И; Невским и М. С. Кедровым и обсудил с ними практические вопросы организации восстания. 16 октября ЦК образовал партийный центр по руководству восстанием в составе Я. М. Свердлова, И. В. Сталина, А. С. Бубнова, М. С. Урицкого и Ф. Э. Дзержинского. Партийный центр вошел в Военнореволюционный комитет.
Восстание должно было начаться со дня на день. 20 октября поздно вечером Я. М. Свердлов оказал Н. И. Подвойскому, что его, а также В. А. Антонова-Овсеенко и В. И. Невского на конспиративной квартире ждет В. И. Ленин.
На встрече с В. И. Лениным Антонов-Овсеенко и Невский доложили о готовности к восстанию Балтфлота и расположенных в Финляндии частей. В. И. Ленин предложил им немедленно выехать в эти районы, а также на Северный фронт, чтобы еще раз проверить и ускорить подготовку к восстанию. Николай Ильич доложил о готовности Красной гвардии и революционных частей Петрограда. В конце добавил, что Военная организация командировала своих представителей на фронт, чтобы обеспечить поддержку восстания со стороны действующей армии.
Беседа закончилась далеко за полночь. Николай Ильич, вернувшись, поставил на ноги весь актив- Военной организации и буквально за день выполнил основные указания Владимира Ильича.
В тот же день ВРК послал своих комиссаров в части гарнизона и в штаб округа. По решению Военной организации с 21 октября революционные части гарнизона стали выполнять только приказы ВРК. 22 октября Я. М. Свердлов и Н. И. Подвойский провели общегородскую конференцию Красной гвардии, по решению которой она была переведена на казарменное положение. Для охраны Смольного и выполнения чрезвычайных поручений было выделено 1500 красногвардейцев.
Наступало время решительных действий. Утром 24 октября Н. И. Подвойский и В. А. Антонов-Овсеенко после консультационной встречи с секретарем ЦК Я. М. Свердловым дали гарнизону «Предписание № 1» Военно-революционного комитета, которым привели революционные части гарнизона в боевую готовность. Подвойский, подписывая днем приказы «за председателя» ВРК, привел в боеготовность Петропавловскую крепость, назначил А. Белышева комиссаром «Авроры», приказал 2-му пулеметному полку закрыть пути подхода юнкеров из Ораниенбаума и Петергофа, а Гренадерскому полку — подготовить команды для охраны мостов, соединяющих центр с рабочими районами.
ВРК поручил Н. И. Подвойскому, В. А. Антонову-Овсеенко и Г. И. Чудновскому выработку окончательного плана восстания. Они положили в его основу ленинский план: силами рабочих, флота и солдат окружить и отрезать Петроград, захватить телефонную станцию, телеграф, вокзалы, мосты, арестовать Генеральный штаб и Временное правительство.
Однако практические действия восставших еще не носили наступательного характера. В. И. Ленин, видя это, без санкции ЦК в десятом часу вечера, рискуя жизнью, пришел в Смольный и, как вспоминал Н. И. Подвойский, пустил машину восстания на полный ход. С этого момента Н. И. Подвойский стал председателем Военно-революционного комитета.
В ночь на 25 октября ЦК, ВРК и Военная организация действовали под руководством В. И. Ленина как единый механизм. Все нити восстания сходились в Смольный. К утру все ключевые объекты без боев и кровопролития оказались в руках восставших. Зимний и Мариинский дворцы, где заседали Временное правительство и Предпарламент, были окружены. Керенский под прикрытием дипломатической машины с американским флажком бежал. Военно-революционный комитет в написанном В. И. Лениным обращении «К гражданам России» объявил о взятии власти в свои руки. Днем на заседании Петроградского Совета В. И. Ленин провозгласил: «Рабочая и крестьянская революция, о необходимости которой все время говорили большевики, совершилась».