Временное правительство, опираясь на кадетов, меньшевиков и эсеров, в свою очередь, собирало вооруженные силы контрреволюции. Военный штаб стягивал верные ему части к Петрограду, велась мобилизация контрреволюционных сил в столице и пригородах. В Петроград вызывались юнкера из Петергофа и Ораниенбаума. Специальное указание — «быть наготове» — было дано трём казачьим полкам, расквартированным в Петрограде. Приводились в боевую готовность все юнкерские училища. Гарнизон Зимнего дворца был доведён до 2,7 тыс. чел. Ставка (Могилёв) и командование Северного фронта (Псков) получили приказ ускорить движение войск к столице.
Однако большевики создали огромный перевес революционных сил над войсками контрреволюции. Положение Временного правительства было безнадёжным.
Вооруженное восстание началось 24 октября (6 ноября). В этот день по распоряжению Временного правительства был совершен налёт юнкеров на типографию большевистской газеты «Рабочий путь» (так называлась тогда «Правда»), отдан приказ об аресте и предании суду членов ВРК, готовился удар по штабу революции — Смольному , где находились ЦК партии, ВРК. По указанию ЦК партии ВРК направил в типографию солдат Литовского полка и сапёрного батальона, которые изгнали юнкеров и возобновили печатание газеты. Члены ЦК партии постановили не отлучаться из Смольного и распределили свои силы для руководства восстанием на важнейших участках. В Смольный съезжались делегаты 2-го Всероссийского съезда Советов, были вызваны отряды Красной Гвардии (до 1500 бойцов), подразделения революционных солдат и матросов, связные от воинских частей, предприятий районов города, у здания установлены орудия, пулемёты, броневики. Через радиостанцию крейсера «Аврора» было передано воззвание Петроградского ВРК к гарнизонам, охранявшим подступы к городу: «действуя твёрдо и осмотрительно, а где нужно — беспощадно», не пропускать в Петроград ни одной контрреволюционной воинской части.
Днём 24 октября (6 ноября) юнкера попытались развести мосты через Неву, чтобы отрезать рабочие районы от центра. ВРК направил к мостам отряды Красной Гвардии и солдат, которые взяли почти все мосты под охрану. К вечеру солдаты Кексгольмского полка заняли Центральный телеграф, отряд матросов овладел Петроградским телеграфным агентством, солдаты Измайловского полка — Балтийским вокзалом. Революционными частями были блокированы Павловское, Николаевское, Владимирское, Константиновское юнкерские училища. От ЦК и ВРК в Кронштадт и Центробалт были направлены телеграммы с вызовом боевых кораблей Балтийского флота с десантом. Приказ был выполнен.
Обстановка требовала решительных наступательных действий революционных сил. Однако отдельные члены ВРК проявляли ещё медлительность с переходом в наступление на важнейшие центры контрреволюции: на штаб Петроградского военного округа, Зимний дворец и др. У некоторых из них имелось настроение оттянуть захват власти до открытия 2-го съезда Советов (вечер 25 октября), сказывалось влияние председателя Петроградского совета Л. Д. Троцкого (стоявшего за оттяжку восстания, что было равносильно его срыву), Каменева и Зиновьева, ещё накануне утверждавших, что восстание обречено на поражение.
Ленин, оставаясь ещё на конспиративном положении и тревожась за судьбу восстания, вечером 24 октября (6 ноября) писал членам ЦК партии: «Изо всех сил убеждаю товарищей, что теперь все висит на волоске, что на очереди стоят вопросы, которые не совещаниями решаются, не съездами (хотя бы даже съездами Советов), а исключительно народами, массой, борьбой вооружённых масс... Надо, во что бы то ни стало, сегодня вечером, сегодня ночью арестовать правительство, обезоружить (победив, если будут сопротивляться) юнкеров и, т.д. Нельзя ждать!! Можно потерять все!!". И далее: «Правительство колеблется. Надо добить его во что бы то ни стало! Промедление в выступлении смерти подобно» (там же, т. 34, с. 435, 436).
Вечером 24 октября Ленин прибыл в Смольный и непосредственно возглавил руководство вооруженной борьбой. О его прибытии в Смольный ЦК партии сообщил во все районы, на предприятия и в воинские части. Возглавленные Лениным революционные силы перешли в решительное наступление. Происходил дальнейший планомерный захват стратегических пунктов Петрограда. В 1 час 25 мин. ночи с 24 на 25 октября (с 6 на 7 ноября) красногвардейцы Выборгского района, солдаты Кексгольмского полка и революционные моряки заняли Главный почтамт. В 2 часа ночи первая рота 6-го запасного сапёрного батальона овладела Николаевским (ныне Московский) вокзалом. В это же время отряд Красной Гвардии занял Центральную электростанцию. Около 6 часов утра моряки гвардейского флотского экипажа овладели Государственным банком. В 7 час. утра солдаты Кексгольмского полка заняли Центральную телефонную станцию. В 8 час. красногвардейцы Московского и Нарвского районов овладели Варшавским вокзалом. Ночью крейсер «Аврора» стал у Николаевского моста (ныне мост лейтенанта Шмидта), судно «Амур» — у Адмиралтейской набережной. К утру, столица находилась в руках восставшего народа. Утром 25 октября (7 ноября) ВРК принял воззвание «К гражданам России!», написанное Лениным. В обращении говорилось: «Временное правительство низложено. Государственная власть перешла в руки органа Петроградского Совета рабочих и солдатских депутатов — Военно-революционного комитета, стоящего во главе петроградского пролетариата и гарнизона. Дело, за которое боролся народ: немедленное предложение демократического мира, отмена помещичьей собственности на землю, рабочий контроль над производством, создание Советского правительства, это дело обеспечено. Да здравствует революция рабочих, солдат и крестьян!» (там же, т. 35, с. 1).
Днём 25 октября (7 ноября) революционные силы заняли Мариинский дворец, где находился Предпарламент, и распустили его; матросами были заняты Военный порт и Главное адмиралтейство, где был арестован Морской штаб.
В 2 часа 35 мин. открылось экстренное заседание Петроградского совета. Совет заслушал сообщение о том, что Временное правительство низложено. С докладом о текущем моменте выступил Ленин. К 6 час. дня революционные отряды начали двигаться к Зимнему дворцу. В 9 час. 40 мин. вечера по сигналу из Петропавловской крепости прогремел орудийный выстрел «Авроры», начался штурм Зимнего дворца.
25 октября (7 ноября) в 10 час. 40 мин. вечера в Смольном открылся Второй Всероссийский съезд Советов рабочих и солдатских депутатов (к открытию съезда из 649 прибывших делегатов было 390 большевиков), провозгласивший переход всей власти к Советам. В 2 часа ночи 26 октября (8 ноября) штурмом был взят Зимний дворец и арестовано Временное правительство. 26 октября (8 ноября) по докладу Ленина съезд Советов принял Декрет о мире и Декрет о земле . В Декрете о мире Советская власть предлагала всем воюющим странам немедленно приступить к переговорам о заключении справедливого, демократического мира без аннексий и контрибуций. Согласно Декрету о земле, отменялась помещичья собственность на землю; помещичьи имения, а также все удельные, монастырские, церковные земли с их живым и мёртвым инвентарём, усадебными постройками передавались крестьянам без всякого выкупа. Право частной собственности на землю отменялось и заменялось всенародной собственностью на землю. В результате осуществления этого декрета крестьяне получили более 150 млн. га земель и были освобождены от ежегодных арендных платежей помещикам в сумме 700 млн. руб. золотом. Съезд избрал ВЦИК и создал первое Советское правительство — Совет Народных Комиссаров (СНК, Совнарком) во главе с В. И. Лениным. Образованием Советского правительства началось строительство Советского государства, государства нового типа — диктатуры пролетариата.