Вечером 24 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 II 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.
Во второй половине дня 25 октября Ленин, появившись впервые после июня перед народом, заявил на сессии Петроградского Совета: «Рабочая и крестьянская революция, о необходимости которой все время говорили большевики, свершилась. Угнетенные массы сами создадут власть. В корне будет разбит старый государственный аппарат и будет создан новый аппарат управления в лице советских организаций.
Отныне наступает новая полоса в истории России, и данная, третья русская революция должна в своем конечном итоге привести к победе социализма». «Но вы предопределяете волю съезда Советов», — возразил кто‑то. «Нет, — ответил Троцкий, — именно рабочие и солдаты, восстав, предопределили волю съезда».
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. Троцкий не преминул поиронизировать над этим предложением: «Народ пошел за нами, мы одержали победу, а теперь нам говорят: откажитесь от вашей победы, сделайте уступки, примите компромисс. С кем, я вас спрашиваю? С колеблющимися группами, которые нас оставили, а теперь делают нам предложения? Мы им говорим: вы — ничтожества и потерпели крах. Ваша роль окончена, идите же туда, куда вам предназначено: на свалку истории». Это выступление ускорило уход Мартова и его сторонников со съезда. Тогда по инициативе Троцкого съезд (на котором оставались только большевики и левые эсеры) принял следующую резолюцию: «II съезд констатирует, что уход меньшевиков и эсеров является преступной и отчаянной попыткой лишить это собрание представительности в тот самый момент, когда массы стараются защитить революцию от наступления контрреволюции».