В 1905 году В.М. Петрово-Соловово возглавил тамбовское отделение «Союза 17 октября», а с 1906-го был уже членом Московского ЦК партии октябристов. «Нам предстоит задача точно проверить курс нашего государственного корабля. Заботливо оберегая его от когтей революционной Сциллы, не ведет ли его наш кормчий слишком близко к пасти реакционной Харибды?» Таким вопросом задавался Василий Михайлович в полемической брошюре «„Союз 17 октября“ и его критики» (1906). Его сочинения, посвященные программе октябристов, распространялись большими тиражами по всей России. Автор доказывал в них, что Россия должна развиваться на основе исторических традиций, но при этом в соответствии с европейскими тенденциями; что самодержавие сыграло колоссальную роль в становлении российской государственности, но к началу XX века исчерпало свой творческий потенциал. «Как бы ни изощрялись защитники неограниченной царской власти, но им никогда не удастся отыскать ту формулу, посредством которой можно было бы примирить непримиримое. Истинное единение между монархом и народом может произойти только на почве политической свободы, из которой органически вытекают все остальные свободы: слова, печати, собраний, союзов, а также гражданская и уголовная ответственность высших и низших чиновников перед общим и для всех равным судом».
В 1907 году Василий Михайлович был избран депутатом III Государственной думы от Тамбовской губернии. Ему доверили пост товарища председателя земельной комиссии, но по причине болезни значительное время он вынужден был проводить в Ялте. Тем не менее авторитет В.М. Петрово-Соловово в Думе был очень велик: его именовали «одним из благороднейших членов фракции „Союза 17 октября“». Современники вспоминали: «Выступая с речами по отдельным вопросам, он всегда проявлял себя человеком широкой терпимости, с уважением относящимся к чужим убеждениям, истинным поборником расширения прав народного представительства».
Выступая с позиций убежденного конституционалиста, В.М. Петрово-Соловово не считал возможным идти на какие-либо компромиссы по принципиальным вопросам с правомонархическими силами. На заседании Государственной думы 20 ноября 1907 года он сказал: «Мы знаем, господа, что законодательная власть всецело принадлежит нам, т. е. русскому парламенту, понимая под этим нижнюю, верхнюю палаты и государя императора». И тогда же он смело вступил в полемику с председателем Совета министров П.А. Столыпиным, намекнувшим на невозможность реализации западноевропейских конституционных норм в России. «Есть же, господа, идеи, которые заложены в душе как отдельного человека, так и целого народа. К этим идеям принадлежит идея политической свободы. Само собой разумеется, что этнографические, экономические, географические и другие условия нашей страны придают несколько отличный от других народностей характер нашему конституционному строю. Но самая сущность этого строя – политическая свобода, обязательная в равной мере и для монарха, и для народного представительства, – одна и та же. Нет специальной русской политической свободы, как нет специального русского электричества. Поэтому я позволю себе назвать несколько славянофильской нотку, которая прозвучала во второй речи председателя Совета министров и которая вызвала одобрение на правой стороне этого зала, но она не вызывает во мне сочувствия». И в конце выступления вновь прозвучало «кредо» конституционалиста Петрово-Соловово: «Я страшно желал бы, чтобы слово „русская конституция“ сделалось таким обыденным словом, чтобы оно перестало вызывать как негодование справа, так и одобрение слева». Иными словами, конституция должна стать бытом и нормой общественно-политической жизни России. «Чувствовалось, что человек говорил о том, о чем думал давно, что составляло мечту его сознательной жизни».
Несмотря на мучившие его болезни, Василий Михайлович оставался действующим политиком. Он жестко оппонировал политике блокирования с умеренно правыми, которую проводил лидер октябристов А.И. Гучков. «Если не нужно дразнить умеренно правых, то не нужно идти у них на поводу. Всякая партия должна иметь свою физиономию», – говорил он Гучкову в мае 1908 года. В самом конце жизни В.М. Петрово-Соловово убеждал октябристов провести закон об отмене смертной казни. По его мнению, этот законопроект должен был стать «знаменем» молодой партии.