Пришедшее к власти Временное правительство упорно продолжало разрабатывать планы дальнейшего наступления, но под влиянием большевистской пропаганды фронтовики все активнее выступали за прекращение бессмысленной войны. 30-й Полтавский полк отказался участвовать в наступлении, его солдаты призывали к братанию с немцами.
Однажды одного из большевистских агитаторов схватили во время беседы с солдатами и доставили к командиру полка.
Впервые пришлось Сергею Сергеевичу так близко, один на один, разговаривать с большевиком, да еще солдатом своего полка. Перед ним стоял спокойный человек, с умными глазами, вдумчиво и уверенно отвечал на поставленные вопросы. Всю ночь полковник и агитатор провели в беседе, а утром Сергей Сергеевич отпустил солдата с условием, что он принесет ему все те брошюры, которые тот раздавал личному составу. Вечером следующего дня агитатор-солдат и полковник встретились вновь. С той поры их беседы стали привычным делом. Постепенно в них стали принимать участие и другие полковые большевики. Они давали командиру большевистские газеты, в том числе «Солдатскую правду», брошюры, ленинские произведения «Война и российская социал-демократия», «К солдатам» и другие. Сам Сергей Сергеевич говорил впоследствии, что решающий идейный перелом в его сознании произошел, когда он, будучи командиром полка, впервые познакомился с работами В. И. Ленина по вопросам войны, мира и революции.
Монархически настроенное офицерство, зная о взглядах командира полка, готовило физическую расправу над Сергеем Сергеевичем, но этому помешали солдаты. Услышав ночью через неплотно прикрытое окно разговор заговорщиков, солдаты поставили в известность об этом солдатский комитет. Ночью все участники заговора против С. С. Каменева были арестованы. Теперь в полку остались только те офицеры, которые впоследствии приняли Октябрьскую революцию и встали на ее защиту. Общим собранием полка С. С. Каменев был избран полковым командиром.
21 ноября 1935 года газета «Правда» писала: «Бравые офицеры уже тогда начали плести паутину клеветы вокруг имени Сергея Сергеевича. Командир полка был спокоен. Молча и сосредоточенно он крепким шагом все больше и дальше уходил от своего класса». Армейские общественные организации выдвинули С. С. Каменева на пост начальника штаба 15-го стрелкового корпуса. На этом посту его застала Октябрьская революция.
Победа Великого Октября и его первые декреты буквально потрясли Сергея Сергеевича. Он приветствовал крутую ломку старого строя, понимал, что для защиты Отечества нужно создать новые вооруженные силы — армию освобожденных рабочих и крестьян.
Началась демобилизация старой армии, создавались новые формирования. И в этом самое активное участие принимает Сергей Сергеевич Каменев. Армейский комитет избирает его начальником штаба 3-й армии, находившейся в районе Полоцка. Из Полоцка 3-я армия была направлена в Нижний Новгород и полностью демобилизована. В аттестации на начальника штаба С. С. Каменева Совет солдатских депутатов 3-й армии писал:
«Дана сия гражданину Сергею Сергеевичу Каменеву, Генерального штаба бывшему полковнику, в том, что со дня Октябрьской революции и до полной демобилизации 3-й армии усердно работал в полном согласии с армейским Советом солдатских депутатов 3-й армии, своими глубокими познаниями в военном деле, выдающимся талантом и работоспособностью оказал огромные услуги командованию армии в деле демобилизации и мобилизации ее новых войсковых частей, что за подписью и приложением печати удостоверяется».
15(28) января 1918 года был обнародован подписанный В. И. Лениным декрет Совета Народных Комиссаров «О Рабоче-Крестьянской Красной Армии». Под руководством большевистской партии по всей стране развернулось формирование частей и отрядов Красной Армии. В них записывались наиболее сознательные представители рабочего класса и крестьянства, готовые отдать свою жизнь за власть Советов. Для руководства вновь создаваемыми вооруженными силами требовались командные кадры. Началась организация курсов и школ, где обучались будущие красные командиры.
К строительству Красной Армии привлекались военные специалисты старой армии. Среди тех, кто первым откликнулся на призыв Советской власти служить ей честно и преданно, был и полковник С. С. Каменев.
В послужном списке Сергея Сергеевича добровольное вступление в Красную Армию датируется 1 апреля 1918 года, однако, еще не будучи формально в Красной Армии, он уже принимал участие в ее создании.