Некоторое время Билл Шатов был телохранителем Александра Беркмана. После известий о революции в России Шатов организовал выезд из США большой группы русских революционно настроенных рабочих и сам отправился вслед за ними.
В мае 1917 года Шатов прибыл во Владивосток и в тот же день уже выступил с поддержкой большевиков на митинге революционно настроенных матросов крейсера, стоявшего на рейде бухты Золотой Рог. Вскоре Шатов добрался до Петрограда, где организовывал фабрично-заводские комитеты. В тот период он был членом Петроградского ВРК от Союза анархо-синдикалистской пропаганды. Летом 1917 года анархисты и эсеры пользовались серьезной поддержкой в Петрограде. Лидеры анархо-синдикалистов имели особенно высокие рейтинги в движении фабзавкомов — на всероссийской конференции ФЗК 17–22 октября Шатов был избран в Центральный исполком ФЗК, причем набрал наибольшее количество голосов.
Однако, как писали советские энциклопедии, Шатов первым из видных анархистов проделал путь к большевизму. 22 октября 1917 года он вошел в Петроградский ВРК и стал непосредственным участником Октябрьского переворота. В ночь на 24 октября его встретил в Смольном Джон Рид:
В 1917–1918 годах Шатов был назначен чрезвычайным комиссаром по охране железных дорог. Известный британский шпион Р. Б. Локкарт оставил в своих воспоминаниях описание встречи с Шатовым в марте 1918 года во время долгого ожидания на перроне поезда Троцкого, который должен был отвезти англичан из Петрограда в Москву:
«Скуку долгого ожидания рассеяли забавные выходки Билля Шатова, веселого проходимца с прекрасно развитым чувством юмора. Годы изгнания он провел в Нью-Йорке и знал бесчисленное количество ист-сайдских анекдотов. В большинстве случаев предметом издевательства в них были Россия и русские, к которым Шатов, несмотря на свои убеждения, относился слегка презрительно. Его вид был еще смешней его анекдотов. Миниатюрный Карнера, он был одет поверх костюма и овечьего полушубка в рабочую одежду. На голове у него была английская кепка с огромным козырьком. Два огромных револьвера висели на ремне у него на боку. В общем все это выглядело, как помесь пулеметчика и джентльмена с рекламы». (Перевод дан по русскому изданию; в оригинале не «пулеметчик», а gunman — «убийца», «бандит». —
В 1918–1919 годах Шатов уже начальник центральной комендатуры Петрограда, затем начальник управления коменданта Петроградского укрепрайона. К этому времени Шатов уже стал большевиком. В 1919–1921 годах он член Реввоенсовета 7-й армии. 8 мая 1919 года Шатов был назначен начальником внутренней обороны Петрограда и одновременно членом Комитета обороны города. Затем ему было доверено командование дивизией, которая сыграла главную роль в разгроме войск генерала Юденича, за что он был награжден орденом Красного Знамени.
Когда в 1919 году в конгрессе США прошли слушания о событиях в России, имя Шатова всплывало в показаниях вернувшихся в США американцев. Карьерный взлет нью-йоркского анархиста, похоже, изумлял сенаторов. Вот, например, протокол допроса служащих американского банка в Петрограде Р. Смита и У. Уэлша: