Узнав о Февральской революции 1917 года, Троцкий покинул США. В мае он прибыл в Россию и занял позицию резкой критики Временного правительства. В июле примкнул к большевикам и вступил в РСДРП(б), выступал как публицист на заводах, в учебных заведениях, в театрах, на площадях. После июльских событий был арестован и оказался в тюрьме. В сентябре, после освобождения, стал кумиром балтийских матросов и солдат городского гарнизона, был избран председателем Петроградского Совета. Кроме того, стал председателем созданного Советом военно-революционного комитета.
Троцкий фактически руководил октябрьским вооруженным восстанием. После прихода большевиков к власти он стал наркомом иностранных дел. Участвуя в сепаратных переговорах с державами «Четверного блока», выдвинул формулу: «Войну прекращаем, мира не подписываем, армию демобилизуем», которую поддержал большевистский ЦК (Ленин был против). Несколько позднее, после возобновления наступления немецких войск, Ленину удалось добиться принятия и подписания условий «похабного» Брестского мира.[25]
На пост наркома по военным и морским делам и председателя революционного военного совета республики Троцкий был назначен в начале 1918 года. На этом посту он показал себя талантливым и энергичным организатором. Для создания боеспособной армии использовал решительные и жестокие меры: взятие заложников, расстрелы и заключение в тюрьмы и концлагеря противников, дезертиров и нарушителей воинской дисциплины, причем не делалось исключения и для большевиков. Троцкий проделал большую работу по привлечению в Красную Армию бывших царских офицеров и генералов («военспецов») и защищал их от нападок некоторых высокопоставленных коммунистов.
В годы гражданской войны его поезд курсировал по железным дорогам на всех фронтах; наркомвоенмор осуществлял руководство действиями фронтов, произносил перед войсками пламенные речи, карал провинившихся, награждал отличившихся. В конце гражданской войны и начале 1920-х годов популярность и влияние Льва Давидовича достигли апогея, начал складываться культ его личности.
В 1920–1921 годах Троцкий одним из первых предложил мероприятия по сворачиванию «военного коммунизма» и переходу к НЭПу.[26]
В целом в этот период между Троцким и Лениным было тесное сотрудничество, хотя по ряду вопросов политического и военно-стратегического характера у них имелись серьезные разногласия.
Перед смертью Ленина и особенно после нее среди вождей большевиков разгорелась борьба за власть. Троцкому противостояло заподозрившее его в диктаторских, бонапартистских замыслах большинство партийных руководителей во главе с Зиновьевым, Каменевым и Сталиным.
Противники Троцкого, проявив большую решительность, беспринципность и хитрость, спекулируя на теме его прежних разногласий с Лениным, нанесли сильный удар по авторитету Троцкого. Он был смещен с занимаемых постов; его сторонники вытеснены из руководства партии и государства. Взгляды Троцкого («троцкизм») были объявлены враждебным ленинизму мелкобуржуазным течением.
В середине 1920-х годов Троцкий, к которому присоединились Зиновьев и Каменев, продолжал выступать с резкой критикой советского руководства, обвинив его в предательстве идеалов Октябрьской революции, в том числе в отказе от осуществления мировой революции. Троцкий требовал также восстановления внутрипартийной демократии, укрепления режима диктатуры пролетариата и наступления на позиции нэпманов и кулаков. Однако большинство партии вновь приняло сторону Сталина.
В 1927 году Троцкий был выведен из состава политбюро ЦК, исключен из партии и в январе 1928 года сослан в Алма-Ату, а на следующий год по решению Политбюро его выдворили за пределы СССР.
Вместе с женой и старшим сыном Львом Седовым Троцкий оказался сначала на турецком острове Принкипо в Мраморном море, потом во Франции, в Норвегии.
Он неустанно критиковал политику советского руководства, разоблачал «авантюризм и жестокость индустриализации и коллективизации», опровергал утверждения официальной советской пропаганды и советской статистики. В 1935 году Троцкий закончил свой наиболее важный труд по анализу советского общества — «Преданная революция», где вскрыл противоречия между интересами основного населения страны и бюрократической касты во главе со Сталиным.
В конце 1936 года Троцкий обосновался в Мексике, где поселился в доме известного художника Диего Риверы, а затем — на укрепленной и тщательно охраняемой вилле в городе Койокан. Превратившись в «койоканского затворника», Троцкий трудился над книгой о Сталине, в которой охарактеризовал своего героя как роковую для социализма личность. А после того как в 1937–1938 годах в СССР прошли громкие судебные процессы против оппозиции, на которых заочно судили и его самого, Троцкий много внимания уделял разоблачению их как сфальсифицированных.