Всего на Собор было избрано 564 человека, среди которых было 72 архиерея, 192 клирика (среди них — 2 протопресвитера, 17 архимандритов, 2 игумена, 3 иеромонаха, 72 протоиерея, 65 приходских священников, 2 протодиакона и 8 диаконов) и 299 мирян.
18 августа 1917 г. состоялись выборы председателя Собора. Большинство голосов (407 — «за», 30 — «против») было отдано святителю Тихону (Беллавину), за пять дней до того, вместе с экзархом Грузии Платоном (Рождественским) и архиепископом Петроградским Вениамином (Казанским), возведенному Святейшим Синодом в сан митрополита. Митрополит Владимир (Богоявленский) остался почетным председателем. Заместителями (товарищами) председателя стали шесть человек: два архиерея — архиепископы Арсений (Стадницкий) и Антоний (Храповицкий), два клирика — протопресвитеры Николай Любимов и Георгий Шавельский и два мирянина — князь Е. Н. Трубецкой и М. В. Родзянко, в дальнейшем замененный на А. Д. Самарина.
В дальнейшем Собор приступил к организации специальных отделов, в том числе: уставного; высшего церковного управления; епархиального управления; церковного суда; благоустройства прихода; правового положения Церкви в государстве; богослужения, проповедничества и церковного искусства; церковной дисциплины; внешней и внутренней миссии и других. Всего было создано 22 отдела и 3 совещания при соборном Совете: религиозно-просветительное, хозяйственно-распорядительное и юридическое. Самым большим (по числу записавшихся участников) оказался отдел по реформе высшего церковного управления, что, конечно же, нельзя назвать случайностью. Вопрос о возглавлении Церкви, не разрешенный Предсоборным Советом (в смысле необходимости восстановления патриаршества), оставался центральным.
28 октября 1917 г., когда в Петрограде Временное правительство было низложено, а его председатель бежал, член Поместного Собора протоиерей П. И. Лахостский от имени 60 членов Собора предложил приступить к голосованию по вопросу о восстановлению патриаршества. Предложение было поддержано. А 4 ноября 1917 г. Собор принял определение по общим положениям о высшем управлении Православной Российской Церковью. Высшей властью (законодательной, административной, судебной и контролирующей), согласно определению, обладает Поместный Собор, созываемый периодически, в определенные сроки в составе епископов, клириков и мирян. Вторым пунктом заявлялось о восстановлении патриаршества и возглавлении церковного управления Патриархом, являющимся «первым между равными ему епископами». Патриарх подотчетен Собору, равно как и органы церковного управления.
Ранее, 30 октября, Собор выслушал доклад о способах избрания патриарха. В качестве примера взяли правила, существовавшие в Константинопольской Церкви и первоначально проголосовали за кандидатов в патриархи, которых мог избрать весь Собор (из епископов, священников и мирян). В результате из 25 кандидатов, предложенных членами Собора, больше всего голосов (101) получил архиепископ Антоний (Храповицкий). Новое голосование прошло 31 октября (после того как была разъяснена невозможность избрания в патриархи А. Д. Самарина как мирянина). Тогда члены Собора (в голосовании участвовало 309 соборян) в своих записках указывали уже не одно имя кандидата, а три. В результате, большинство (159 голосов) вновь получил архиепископ Антоний (Храповицкий), признанный первым кандидатом в Патриархи. В результате повторного голосования кандидатом избрали также архиепископа Арсения (Стадницкого), получившего 199 голосов. А в третьем туре голосования кандидатом избрали митрополита Тихона (Беллавина), получившего 162 голоса. Таким образом, кандидатами в патриархи Собор избрал архиепископов Антония и Арсения и митрополита Тихона.
Если бы епископы воспользовались своим правом избирать кандидата в Патриархи, то, несомненно, первоиерархом стал бы архиепископ Антоний. Но архиереи отказались от этого права, постановив избрать Патриарха посредством жребия. Постановление огласили 2 ноября, отложив процедуру до прекращения уличных боев, шедших в то время в Москве. Избрание состоялось три дня спустя в храме Христа Спасителя. Захватившие к тому времени Кремль, большевики все же дали разрешение принести в храм Христа Спасителя икону Владимирской Божией Матери. По словам современника, храм, вмещавший 12 000 человек, был переполнен.