Однако восстание ни для кого не было секретом. 17 октября меньшевистский левый журнал упомянул о существовании письма, ходившего в большевистских кругах, в котором «обсуждался вопрос о вооруженном восстании». На следующий день «Новая жизнь» опубликовала статью Каменева, осуждавшую идею вооруженного большевистского восстания и косвенно подтверждавшую подлинность информации, появившейся накануне. Эта статья взволновала общественное мнение. Ленин счел ее равносильной предательству и потребовал исключения «диссидентов» из ЦК, но остался в меньшинстве, так как Каменев и Зиновьев обещали никоим образом не мешать осуществлению решений ЦК. В Исполкоме Совета Троцкий был подвергнут настоящему допросу меньшевиками и вынужден был ответить на вопрос, готовят ли большевики восстание. Он заявил, что восстание не предусмотрено большевиками, но они полны решимости защитить съезд Советов от любых контрреволюционных вылазок. Таким образом, подготовка большевиков выглядела «законной». Со своей стороны Керенский демонстрировал полную уверенность, так как рассчитывал на поддержку меньшевиков " и эсеров и получил от полковника Полковникова, командующего гарнизоном, заверения в «абсолютной лояльности» войск правительству.
Тем не менее 21 октября гарнизон перешел на сторону ПВРК. Последний тут же обратился к населению с воззванием, предупреждавшим, что без подписи ПВРК никакая директива гарнизона не будет действительна. Керенский в ультимативной форме потребовал от ПВРК отмены этого документа. Началась проба сил. Утром 24 октября Керенский приказал закрыть типографию большевиков. Последние заняли ее снова. Для разработки плана действий в Смольном собрался ЦК большевиков. В восстании должны были слиться два самостоятельных потока: государственный переворот, организованный ПВРК от имени Петроградского Совета, чтобы защитить революцию, и пролетарское восстание под руководством Военно-революционного центра. Фикция двух этапов операции — оборонительного («защитить съезд Советов от действий правительства и старого Исполкома с эсеро-меньшевистским большинством») и наступательного (связанного с деятельностью Ленина, вышедшего 25 октября из подполья) — должна была быть выдержана до конца. Вечером 2 4 октября Красная гвардия и несколько военных частей, действуя от имени Совета, захватили, не встретив сопротивления, невские мосты и стратегические центры (почты, телеграф, вокзалы). За несколько часов весь город перешел под контроль восставших. Только Зимний дворец, где заседало Временное правительство, еще держался. Керенский тщетно пытался установить контакт со штабом. Там не вполне осознавали характер событий и не спешили оказать помощь победителю Корнилова. Утром 25 октября Керенский отправился за подкреплением. Не дожидаясь отправки ультиматума правительству, по инициативе Ленина было опубликовано в 10 часов утра воззвание ПВРК, в котором говорилось, что правительство низложено и что власть перешла в руки ПВРК. Это заявление до взятия власти П съездом Советов представляло собой настоящий государственный переворот. В первом варианте воззвания ПВРК Ленин писал: «ПВРК созывает сегодня на 12.00 Петроградский Совет. Принимаются неотложные меры для установления советской власти». Изменение симптоматично. Испытывая недоверие к «революционному легализму» Петроградского Совета, то есть Троцкого, к «соглашательскому духу» своих товарищей из ЦК, которых он подозревал в готовности войти в переговоры с другими социалистическими силами, Ленин хотел сосредоточить всю полноту власти в руках органа, созданного в процессе восстания, органа, который ни в чем не зависел бы от съезда Советов. Этот шаг делал неизбежным еще до открытия II съезда Советов разрыв между Лениным и другими революционными организациями, которые считали себя вправе претендовать на частицу нового авторитета и новой власти.
Однако победа большевиков оставалась неполной, так как в Зимнем дворце еще заседало правительство. В половине седьмого вечера оно получило ультиматум ПВРК, который давал ему 20 минут на решение вопроса о капитуляции. В действительности же штурм Зимнего дворца произошел позднее, ночью, после того как крейсер «Аврора» сделал несколько холостых выстрелов в сторону дворца. В два часа утра Антонов-Овсеенко от имени ПВРК арестовал членов Временного правительства. Бои, в которых приняли участие с той и с другой стороны не более нескольких сот человек, завершились с минимальными потерями (6 убитых среди обороняющихся, ни одного среди нападавших).
За несколько часов до падения Зимнего дворца, в 22.40, открылся II Всероссийский съезд Советов. Осудив «военный заговор, организованный за спиной Советов», меньшевики покинули съезд, за ними — эсеры и бундовцы. Их уход обрек на поражение Мартова и его сторонников, искавших компромисса и предлагавших создать правительство, в котором были бы представлены социалистические партии и все демократические группы. После перерыва Каменев объявил о взятии Зимнего дворца и аресте министров Временного правительства. Колебавшиеся делегаты окончательно склонились на сторону большевиков. Под утро съезд заслушал и принял написанное Лениным обращение «Рабочим, солдатам и крестьянам», в котором объявлялось о переходе власти ко II съезду Советов, а на местах — к Советам рабочих, солдатских и крестьянских депутатов.
Вечером 26 октября после доклада Ленина съезд принял Декрет о мире, в котором предлагалось «всем воюющим народам и их Правительствам начать немедленно переговоры о справедливом демократическом мире» без аннексий и контрибуций. Обращение было направлено непосредственно народам воюющих стран, минуя правительства, и носило прежде всего пропагандистский характер. Дискуссии, разгоревшиеся среди большевиков о принципах формирования нового правительства (общесоциалистическое или чисто большевистское), разрешили не только жесткая позиция Ленина, но и сами левые эсеры. Стремясь к компромиссу между социалистическими партиями и созданию широкой социалистической правительственной коалиции, они отказались войти в правительство. В результате на съезде было утверждено большевистское Временное (т.е. до созыва Учредительного собрания) рабочее и крестьянское правительство, — Совет Народных Комиссаров (СНК). Большевики не без труда сумели сформировать состав этого правительства. Многие видные большевики отказывались занимать посты в правительстве, старались переложить бремя совершенно незнакомых им управленческих функций друг на друга.
В итоге II съезд Советов утвердил следующий состав правительства: председатель — В.И. Ленин (Ульянов), наркомы: по внутренним делам — А.И.Рыков, земледелия — П.П.Милютин, труда — А.Г.Шляпников, торговли и промышленности — В.П.Ногин, по иностранным делам — Л.Д.Троцкий (Бронштейн), финансов — И.И.Скворцов (Степанов), просвещения — АВ.Луначарский, юстиции — Г.И.Оппоков (Ломов), продовольствия — И.А.Теодорович, почт и телеграфа — Н.П.Авилов (Глебов), по делам национальностей — И.В.Сталин (Джугашвили), комитет по военным и морским делам — В.А.Антонов (Овсеенко), Н.В.Крыленко и П.Е.Дыбенко. Пост наркома железнодорожного транспорта остался незанятым.
Съезд избрал новый состав ВЦИК. Из 101 его члена 62 являлись большевиками, 29 — левыми эсерами, 6 — меньшевиками-интернационалистами. Председателем ВЦИК был избран Л.Б.Каменев, 8 ноября (после его отставки) его заменил Я.М.Свердлов.
Положение большевистского правительства было неустойчивым. Исход вооруженных столкновений в Москве был еще неясен. Керенский не сумел собрать значительных сил. Но и немногочисленные войска командующего 3-м корпусом генерала Краснова, который поддержал Керенского, 27 октября захватили Гатчину, 28-го — Царское Село и подходили к Петрограду. В самом Петрограде консолидировались антибольшевистские силы. Еще 24 октября был создан Комитет общественной безопасности под руководством городского головы Г.И.Шрейдера. 26-го главным образом эсерами и меньшевиками, членами городской Думы, прежнего ВЦИК, исполкома Всероссийского Совета крестьянских депутатов и ушедшими со II съезда Советов членами фракций социалистических партий был создан Комитет спасения Родины и революции. Комитет планировал одновременно с вступлением в Петроград войск Краснова поднять восстание против большевиков. Но начать действовать ему пришлось раньше. 29 октября вспыхнул мятеж, главной силой которого выступили юнкера. Мятеж сопровождался жестокими убийствами с обеих сторон и был относительно легко подавлен.
Левое крыло меньшевиков и эсеров, не поддерживая вооруженные выступления, тем не менее осуждали большевиков. Всероссийский исполнительный комитет профсоюза железнодорожников (Викжель) под угрозой всеобщей забастовки потребовал прекратить военные действия и начать переговоры с целью создания однородного социалистического правительства. В ходе начавшихся 29 октября переговоров большевики согласились на расширение «базы правительства», изменение его состава и даже склонялись к исключению из него Ленина и Троцкого (чего добивались меньшевики и эсеры). Тем не менее они пытались отстоять другие решения II съезда Советов. В то же время Каменев, Рязанов и некоторые другие большевики готовы были пойти гораздо дальше навстречу жестким требованиям меньшевиков и эсеров. В частности, они согласились на создание вместо избранного на II съезде Советов ВЦИК «Народного совета» и на выдвижение главой нового правительства лидера эсеров Чернова или даже более правого Авксентьева. Однако после разгрома 30-31 октября войск Краснова Ленин выступил против продолжения переговоров. В конце острых и длительных дискуссий его позиция в основном победила. После ультимативного заявления ЦК большевиков, принятого в ночь на 2 ноября, переговоры были прерваны. В знак протеста Каменев, Рыков, Милютин, Ногин вышли из состава ЦК. Также подали в отставку ряд наркомов и высших должностных лиц (Ногин, Рыков, Милютин, Теодорович, Рязанов, Дербышев, Арбузов, Юренев, Ларин). С ними солидизировался Шляпников. Этот первый после 25 октября острый внутрипартийный кризис большевиков отразил сохранявшиеся с весны 1917 года разногласия по вопросам о перспективах революционного процесса в России и целесообразности создания «чисто большевистского» правительства. Правительственный кризис был преодолен только в декабре 1917 г., когда после долгих колебаний в состав СНК вошли левые эсеры.