Во второй половине сентября Ленин переехал в Выборг, чтобы быть поближе к Петрограду. Он настойчиво призывал к немедленному вооружённому восстанию и захвату власти. В начале октября лидер партии большевиков тайно прибыл в Петроград.
10 октября состоялось заседание ЦК партии, на котором рассматривался вопрос о восстании. Позиция Ленина встретила серьёзное сопротивление. Против захвата власти выступили Л.Б.Каменев и Г.Е.Зиновьев. Они считали, что Россия не готова к социализму. На помощь европейского пролетариата пока рассчитывать не приходилось. По их мнению, к власти можно прийти постепенно, мирным путём, используя выборы в Учредительное собрание и опираясь на Советы. В этом случае большевики реально могли рассчитывать на треть голосов и на положение самой крупной оппозиции. Таким образом можно было влиять на развитие ситуации.
Троцкий, как и Ленин, выступал за захват власти. Однако он предлагал отложить восстание до открытия II Всероссийского съезда Советов, который был намечен на конец октября. По его мнению, власть надо отдать съезду, где большинство было обеспечено большевикам.
Большинством голосов ЦК принял решение начать подготовку к восстанию. Против проголосовали только Каменев и Зиновьев.
12 октября Петроградский Совет принял решение о создании Военно-революционного комитета (ВРК). Его председателем стал левый эсер П.Лазимир. В состав ВРК вошли большевики В.А.Антонов-Овсеенко, Н.И.Подвойский, А.С.Бубнов, Ф.Э.Дзержинский, И.В.Сталин и др. ВРК стал легальным центром по подготовке восстания.
11 октября Каменев и Зиновьев обратились ко всем большевистским организациям с призывом отказаться от вооружённого выступления. 16 октября провели расширенное заседание ЦК большевиков совместно с представителями военных организаций. Приняли решение продолжить подготовку к вооружённому восстанию. За предложение Зиновьева дождаться II съезда Советов проголосовало 6 человек, против - 15. Каменев заявил о своём выходе из ЦК.
18 октября в газете "Новая жизнь" появилось письмо Каменева и Зиновьева, в котором они осудили идею вооружённого восстания. Ленин назвал их предателями и потребовал исключить из партии, но остался в меньшинстве. В газете "Правда" лидер большевиков давно говорил о восстании, поэтому это не являлось секретом для правительства.
Керенский, зная о готовящемся перевороте, хотел предотвратить его. 19 октября был отдан новый приказ об аресте Ленина. Временное правительство попыталось стянуть к Петрограду верные части и отправить на фронт ненадёжные полки. В ответ 20 октября ВРК назначил своих комиссаров во все воинские подразделения петроградского гарнизона. Приказы, не подписанные комиссарами, объявлялись незаконными. Керенский в ультимативной форме потребовал отмены этого решения.
24 октября правительство перешло в наступление. Издали приказ об аресте членов ВРК. Утром закрыли большевистские газеты "Рабочий путь" и "Солдат". Отдали распоряжение о захвате Смольного, разводе мостов через Неву. У Временного правительства было слишком мало сил, чтобы осуществить свой план. К 11 часам утра большевики заняли типографии и обеспечили охрану и выпуск газет.
Днём 24 октября отряды ВРК, не встречая серьёзного сопротивления, стали занимать Петроград. Поздно вечером Ленин прибыл в Смольный. К утру 25 октября в руках Временного правительства остался только Зимний дворец и прилегающие районы. Керенский отправился на фронт за подкреплением. Утром 25 октября Ленин, не дожидаясь решения II съезда Советов, обратился с воззванием
"К гражданам России", с извещением о низвержении Временного правительства и переходе власти в руки ВРК.
Вечером 25 октября Временному правительству было предложено сдаться. В надежде на прибытие войск с фронта министры отклонили ультиматум. После 10 часов вооружённые отряды большевиков начали проникать в Зимний дворец. Организованного сопротивления они не встретили. В 2 часа ночи 26 октября оставшиеся члены Временного правительства были арестованы и отправлены в Петропавловскую крепость. Потери с обеих сторон при взятии Зимнего дворца составили 6 человек.