Получив в Цюрихе 2(15) марта 1917 первые достоверные известия о начавшейся в России Февральской буржуазно-демократической революции, Л. определил новые задачи пролетариата и большевистской партии. В «Письмах издалека» он сформулировал политический курс партии на переход от первого, демократического, этапа ко второму, социалистическому, этапу революции, предупредил о недопустимости поддержки буржуазного Временного правительства, выдвинул положение о необходимости перехода всей власти в руки Советов. 3(16) апреле 1917 Л. вернулся из эмиграции в Петроград. Торжественно встреченный тысячами рабочих и солдат, он произнёс краткую речь, закончив её словами: «Да здравствует социалистическая революция!». 4(17) апреля на совещании большевиков Л. выступил с документом, вошедшим в историю под названием Апрельских тезисов В. И. Ленина («О задачах пролетариата в данной революции»). В этих тезисах, в «Письмах о тактике», в докладах и выступлениях на 7-й (Апрельской) Всероссийской конференции РСДРП (б) Л. развил план борьбы партии за переход от буржуазно-демократической революции к революции социалистической, тактику партии в условиях двоевластия — установку на мирное развитие революции, выдвинул и обосновал лозунг «Вся власть Советам!». Под руководством Л. партия развернула политическую и организаторскую работу в массах рабочих, крестьян, солдат. Л. направлял деятельность ЦК РСДРП (б) и центрального печатного органа партии — газеты «Правды», выступал на собраниях и митингах. С апреля по июль 1917 Л. написал свыше 170 статей, брошюр, проектов резолюций большевистских конференций и ЦК партии, воззваний. На 1-м Всероссийском съезде Советов (июнь 1917) Л. выступил с речами по вопросу о войне, об отношении к буржуазному Временному правительству, разоблачая его империалистическую, антинародную политику и соглашательство меньшевиков и эсеров. В июле 1917 после ликвидации двоевластия и сосредоточения власти в руках контрреволюции мирный период развития революции закончился. 7(20) июля Временное правительство отдало приказ об аресте Л. Он вынужден был уйти в подполье. До 8(21) августа 1917 Л. скрывался в шалаше за оз. Разлив, близ Петрограда, затем до начала октября — в Финляндии (Ялкала, Гельсингфорс, Выборг). И в подполье он продолжал руководить деятельностью партии. В тезисах «Политическое положение» и в брошюре «К лозунгам» Л. определил и обосновал тактику партии в новых условиях. Исходя из ленинских установок, 6-й съезд РСДРП (б) (1917) принял решение о необходимости взятия власти рабочим классом в союзе с беднейшим крестьянством путём вооружённого восстания. В подполье Л. написал книгу «Государство и революция», брошюры «Грозящая катастрофа и как с ней бороться», «Удержат ли большевики государственную власть?» и др. работы. 12—14(25—27) сентября 1917 Л. написал письмо Центральному, Петроградскому и Московскому комитетам РСДРП (б) «Большевики должны взять власть» и письмо в ЦК РСДРП (б) «Марксизм и восстание», а затем 29 сентября (12 октября) статью «Кризис назрел». В них на основе глубокого анализа расстановки и соотношения классовых сил в стране и на международной арене Л. сделал вывод, что назрел момент для совершения победоносной социалистической революции, и разработал план вооружённого восстания. В начале октября Л. нелегально возвратился из Выборга в Петроград. В статье «Советы постороннего» 8(21) октября он изложил тактику проведения вооружённого восстания. 10(23) октября на заседании ЦК РСДРП (б) Л. выступил с докладом о текущем моменте; по его предложению ЦК принял резолюцию о вооружённом восстании. 16(29) октября на состоявшемся расширенном заседании ЦК РСДРП (б) Л. в своём докладе отстаивал курс на восстание, резко критиковал позицию противников восстания Л. Б. Каменева и Г. Е. Зиновьева. Крайне опасной для судеб революции Л. считал позицию отсрочки восстания до созыва 2-го съезда Советов, на чём особенно настаивал Л. Д. Троцкий. Заседание ЦК подтвердило ленинскую резолюцию о вооружённом восстании. В ходе подготовки восстания Л. направлял деятельность Военно-революционного центра, созданного ЦК партии, и Военно-революционного комитета (ВРК), образованного по предложению ЦК при Петроградском совете. 24 октября (6 ноября) в письме в ЦК Л. требовал немедленно перейти в наступление, арестовать Временное правительство и взять власть, подчёркивая, что «промедление в выступлении смерти подобно» (там же, т. 34 с. 436).
Вечером 24 октября (6 ноября) Л. нелегально прибыл в Смольный для непосредственного руководства вооружённым восстанием. На открывшемся 25 октября (7 ноября) 2-м Всероссийском съезде Советов, провозгласившем переход всей власти в центре и на местах в руки Советов, Л. выступил с докладами о мире и о земле. Съезд принял ленинские декреты о мире и о земле и образовал рабоче-крестьянское правительство — Совет Народных Комиссаров во главе с Л. Победа Великой Октябрьской социалистической революции, одержанная под руководством Коммунистической партии, открыла новую эру в истории человечества — эру перехода от капитализма к социализму.
Л. возглавил борьбу Коммунистической партии и народных масс России за решение задач диктатуры пролетариата, за построение социализма. Под руководством Л. партия и правительство создали новый, советский государственный аппарат. Была проведена конфискация помещичьих земель и национализация всей земли, банков, транспорта, крупной промышленности, введена монополия внешней торговли. Создана Красная Армия. Уничтожен национальный гнёт. К грандиозной работе по строительству Советского государства, осуществлению коренных социально-экономических преобразований партия привлекла широкие народные массы. В декабре 1917 Л. в статье «Как организовать соревнование?» выдвинул идею социалистического соревнования масс как действенного метода строительства социализма. В начале января 1918 Л. подготовил «Декларацию прав трудящегося и эксплуатируемого народа», явившуюся основой первой советской Конституции 1918. Благодаря принципиальности и настойчивости Л., в результате его борьбы против «левых коммунистов» и троцкистов был заключён Брестский мир 1918 с Германией, давший Советской власти необходимую мирную передышку.
С 11 марта 1918 Л. жил и работал в Москве, после переезда сюда ЦК партии и Советского правительства из Петрограда.
В труде «Очередные задачи Советской власти», в работе «О »левом» ребячестве и о мелкобуржуазности» (1918) и др. Л. наметил план создания основ социалистической экономики. В мае 1918 по инициативе и при участии Л. разработаны и: приняты декреты по продовольственному вопросу. По предложению Л. были созданы продотряды из рабочих, направленные в деревню, чтобы поднять бедноту (см. Комитеты бедноты.) на борьбу с кулачеством, на борьбу за хлеб. Социалистические мероприятия Советской власти встретили ожесточённое сопротивление свергнутых эксплуататорских классов. Они развернули вооружённую борьбу против Советской власти, прибегли к террору. 30 августа 1918 Л. был тяжело ранен эсеркой-террористкой Ф. Е. Каплан.