Mart 1917 rus devrimi başlayınca Troçki, Rusya'ya geri dönme girişiminde bulundu. Bir süre Kanada'da kaldıktan sonra, ancak mayıs başında Petrograd’a gelebildi. Enternasyonalci sosyal demokratlar örgütü olan mejrayonlar grubuna girdi. Bu grup ağustos 1917'de bolşevik partisine katılınca Troçki, bu partinin merkez komitesi üyesi oldu. Tutuklandı, iki ay tutuklu kaldıktan sonra ekim (1917) başında Petrograd sovyeti başkanlığına, kasımda da Askeri devrim komitesi başkanlığına seçildi. Lenin'in hazırladığı devrim, 7 kasımda Petrograd'da bilfiil Troçki'nin yönetiminde gerçekleşti. Zaferden sonra Troçki, Dışişleri halk komiseri oldu ve Brest-Litovsk’ta Almanya ile barış görüşmelerini yürüttü. Fler ne pahasına olursa olsun barış yapmak gereği üzerinde Lenin ile anlaşmazlığa düşen Troçki, Brest-Litovsk antlaşması'nı (3 mart 1918) imzalamayı reddederek istifasını verdi.

Bundan sonra Ulaştırma işleri halk komiseri, daha sonra da Ordu ve Donanma halk komiseri ve Askeri devrim konseyi başkanı oldu. Troçki bu sıfatıyla Kızıl Ordu'nun başlıca örgütleyicisi (iç savaş boyunca zırhlı treninden onu yönetti) ve Kronştadt isyanının (5 mart 1920) bastırıcısı durumuna geldi.

Troçki aynı zamanda Komünist enternasyonal’in prezidyum üyesi oldu. Birçok önemli sorunda, Lenın ve bolşevik parti çoğunluğuyla anlaşmazlığa düştü: otoriter yöntemler uygulanmasını istedi, sendika örgütlerinin devletleştirilmesini savundu, NEP'e karşı çıktı ve 1923'te, parti içinde serbestçe hizipler kurulmasını önerdi. Lenin öldüğünde (21 ocak 1924) Troçki hastaydı. Görevi başına dönünce, özellikle Ekim devriminin öğrettikleri (Uroki Oktyabrya) adlı kitabında partinin işleyişini şiddetle eleştirdi. Yalnız Stalin'in giderek güçlenen iktidarına değil, tek bir ülkede "sosyalizmin kuruluşu” anlayışına da karşı çıktı. Ocak 1925' te, Savaş komiserliği görevinden alındı ve iki yıldan az bir süre içinde bütün yetkilerini kaybetti: siyasi bürodan (ekim 1926), Komünist enternasyonal yürütme kurulundan (eylül 1927), merkez komitesinden (ekim 1927) ve taraftarlarının kasım 1927' de Moskova ve Leningrad’da (bugün Sen-Petersburg) yaptıkları sokak gösterilerinden sonra Zinovyev ve Kamanev ile birlikte partiden (9 kasım 1927) atıldı.

19 aralık 1927’de Alma-Ata'ya sürülen Troçki, şubat 1929’da rus topraklarından kovuldu. 1933’e kadar İstanbul’da Büyükada'da oturdu. Hayatım (Moja Zizn) [1929] ve istoriya Ruskoy Revolyatsiy (Rus devrim tarihi) [1932] adlı yapıtlarını bu sırada yazdı. Bir süre (temmuz 1933 - haziran 1935) Fransa'da kaldıktan sonra sınırdışı edildi; Norveç'e gitti, ama 1936 sonunda burayı da terk etmek zorunda kaldı. Bunun üzerine, Mexico'nun banliyösü Coyoacân'a yerleşti, 1929’dan başlayarak, gittikçe artan güçlükler içinde taraftarlarını bir araya toplamaya ve SSCB’de iç muhalefeti örgütlemeye çalıştı.

Aynı zamanda, Sovyet iktidarı ve stalincilik üzerine bir kuram oluşturdu; işçi devleti, thermidor ve bonapartçılık (1935) adlı broşüründe, stalinciliği bir "ucube bürokratik yozlaşma” olarak tanımladı, ihanete uğrayan devrim (1936) adlı yapıtında SSCB’yi "kapitalizmle sosyalizm arasında bir ara toplum” olarak nitelendirdi. 1934’ ten sonra, Fransa ve ispanyadaki yandaşlarından sosyalist partilere girmelerini istedi, ama Halk cephesi kurulmasına şiddetle karşı çıktı. Eylül 1938'de, III. Enter nasyonal üyesi komünist partilere sert bir biçimde karşı çıkmayı amaçlayan IV. Enternasyonal'in kurulmasına ön ayak oldu. 20 ağustos 1940'ta, Ramön Mercader tarafından ağır bir biçimde yaralandı ve öl dü. Troçki’nin yayımlanmış birçok kitabı arasında şunları sayabiliriz: Terrorizm i Kommunızm (Terörizm ve komünizm) [1920]; Ecrits militaires (fr. çev.) [Askeri yazılar], 1920; Journal d'exil (fr. çev.) [Sürgünlük güncesi], 1929.