Временное правительство спешно начало стягивать к Зимнему дворцу немногочисленные воинские части, на которые оно могло рассчитывать. Помимо юнкеров и небольшого количества казаков вызвали и роту стоявшего под городом Петроградского (2-го) женского ударного батальона. Когда они прибыли к Зимнему дворцу, на площади состоялось торжественное построение «ударниц», после чего их разместили в дворцовых помещениях.
Но и это невеликое число защитников стремительно таяло. Сначала Зимний дворец покинули находившиеся в нем две сотни казаков. Временное правительство их очередной раз обмануло — раскиданные по городу сотни так и не были сведены обратно в полки, а вместо обещанной пехоты прибыли «бабы с ружьями». Затем из дворца ушла большая часть юнкеров, которых не только не снабдили патронами, но даже не накормили. Следом уехали броневики, у которых не было бензина, и орудия Михайловского юнкерского училища. К вечеру 25 октября во дворце оставались 137 ударниц 2-й роты женского батальона, 2–3 неполные роты юнкеров, 2 бронеавтомобиля и 40 инвалидов, георгиевских кавалеров.
Собравшаяся около Зимнего дворца беспорядочная толпа солдат, красногвардейцев и матросов дважды пыталась проникнуть в здание. Первая попытка произошла в 10 часов вечера и оказалась неудачной. В течение часа дворец обстреливался из ружей и пулеметов. Ответным огнем атакующие были отогнаны. Впрочем, назвать это настоящей атакой было затруднительно. Историк С. П. Мельгунов в своей работе «Как большевики захватили власть» приводит слова секретаря Петроградского ВРК В. А. Антонова-Овсеенко: «Беспорядочные толпы матросов, солдат, красногвардейцев то наплывают к воротам дворца, то отхлынывают».
Вторая атака произошла в 23 часа и увенчалась успехом. Но и здесь говорить об атаке трудно. Во-первых, дворец оборонялся только со стороны выходящего на площадь фасада. Со стороны набережной двери даже не были закрыты, и через них вооруженные рабочие и матросы совершенно беспрепятственно проникли в здание. Во-вторых, со стороны площади во дворец вошли парламентеры во главе с членом Петроградского ВРК Г. И. Чудновским. На время их прохода огонь со стороны защитников прекратился. Пытавшихся оказать сопротивление юнкеров попросту задавили массой.
Данных о потерях с той и другой стороны нет. Точно известно только, что погибло шестеро солдат и одна «ударница». Зато документально установлены факты грабежа и вандализма со стороны «революционных масс», штурмовавших дворец. Специальная комиссия Городской думы, осматривавшая Зимний дворец спустя 5 дней после произошедших событий, отметила, что у портретов штыками выкалывались глаза, с диванов и кресел срезалась кожаная обивка, коллекционный фарфор разбивался, ценные книги, иконы, миниатюры и пр. были разбросаны по полу и затоптаны сапогами.
Уже при советской власти захват Зимнего дворца и арест членов Временного правительства начали обрастать мифами и легендами. Он стал именоваться не иначе как штурмом, в котором участвовали тысячи охваченных революционным энтузиазмом красногвардейцев, солдат и матросов. 7 ноября 1920 г. режиссер Н. Н. Евреинов и музыкант Д. З. Темкин организовали на Дворцовой площади массовую постановку «Взятие Зимнего дворца». А в 1927 г. режиссер С. М. Эйзенштейн снял немой фильм «Октябрь». Не имеющие ничего общего с действительностью кадры штурма дворца прочно закрепились в массовом сознании как историческая реальность.
После Октябрьского переворота Дворцовая площадь, как и до этого, продолжала активно использоваться в качестве места проведения различных торжественных мероприятий. На ней устраивались праздничные гуляния, шествия в честь или ознаменование чего-либо, парады военных частей молодой советской республики. В июле 1920 г., например, на площади, которая стала называться площадью Урицкого, состоялось праздничное гуляние в честь открытия II конгресса Коминтерна.
II конгресс Коммунистического Интернационала открылся в Петрограде 19 июля 1920 г., а с 23 июля заседал уже в Москве. На нем присутствовало 218 делегатов от 40 левых социалистических организаций и профсоюзов и 27 коммунистических партий разных стран. Участники конгресса посетили могилы жертв революции на Марсовом поле. На первом заседании перед ними выступил В. И. Ленин с докладом о международном положении и задачах Коммунистического Интернационала. В день открытия конгресса Ленин выступил также и на Дворцовой площади, на посвященном его открытию митинге.