В 1874 году Фроленко с группой товарищей отправился на Урал, чтобы там попытаться организовать боевой отряд из беглых сибирских каторжан. Когда это не удалось, он возвращается в Москву и едва не попадает в лапы жандармов. С тех пор Фроленко переходит на нелегальное положение. В 1875 году он примыкает к южным народникам-бунтарям. Смелые террористические акты, освобождение арестованных товарищей становятся его стихией.
1877 год. Фроленко разрабатывает исключительно смелый план освобождения народника В. Костюрина из одесской тюрьмы. Подготовив предварительно квартиру, днем на пролетке он подъезжает к тюрьме и буквально на глазах у жандармов увозит выбежавшего арестанта.
В 1878 году Фроленко удается еще более смелое предприятие. В киевской тюрьме томились Я. Стефанович, Л. Дейч и Бохановский. В январе 1878 года Фроленко под именем Сергея Тихонова устраивается надзирателем в тюрьму. Усердием на службе он приобрел полное доверие начальства. И однажды, имея ключи от камер, отпер их, вывел заключенных и благополучно скрылся вместе с ними. В том же году Фроленко участвовал в неудавшейся попытке освободить П. Войнаральского.
Итак, к 1879 году ко времени образования террористической организации «Народная воля» на счету у революционера была не одна «боевая операция».
С 1879 года Фроленко — член Исполнительного комитета «Народной воли». В то время в организации оживленно обсуждался вопрос о подготовке покушения на царя. Многие считали, что недостаточно убивать лишь царских министров и генералов. «Лес велик, всего не вырубишь, надо покончить с лесничим». Некоторые революционеры прямо предлагали свои услуги: «Дайте мне оружие, да помогите встретить царя, и я его уничтожу».
Фроленко участвовал в ряде покушений на Александра II. Осенью 1879 года он устроился железнодорожным сторожем и поселился с Т. Лебедевой в сторожке под Одессой. Революционеры начали вести подкоп к железнодорожному полотну, чтобы заложить мину под царский поезд. Однако царь через Одессу не поехал, и Фроленко вернулся в Петербург.
В Петербурге он играл активную роль в подготовке первомартовских событий. В день покушения ему была доверена ответственная роль: взорвать мину на Малой Садовой в случае проезда царской кареты.
17 марта 1881 года Михаил Федорович был арестован. В этот день он, по предварительной договоренности, пришел, на квартиру к Кибальчичу, не зная о его аресте. Здесь ждал пристав. Оправившись от неожиданности, Фроленко называет фамилию какого-то несуществующего жильца, якобы интересующего его.
«А, хорошо, — отвечает пристав, — пойдемте в участок, там скажут, где он живет!»
«Нет! Вы идите туда сами, а я дорогу знаю!» — крикнул Фроленко и бросился бежать. Убегая, он запер выходную дверь из комнаты, пристав вышиб ее и догнал Фроленко на рысаке, уже на улице.
Михаил Федорович судился в 1882 году по «процессу 20-ти». Он был приговорен к смертной казни, замененной бессрочной каторгой. Более 21 года провел мужественный революционер в самых страшных тюрьмах России — в Петропавловской крепости, а затем в Шлиссельбурге — и был освобожден только революцией 1905 года. Тяжелые испытания не сломили его революционный дух. Он дожил до советской власти и стал членом Коммунистической партии.
С Андреем Ивановичем Желябовым Перовская познакомилась, по-видимому, в Харькове. Он произвел на нее огромное впечатление. Высокого роста, необычайно сильный, красивый, с большой головой и прекрасными горящими глазами, Желябов поражал прежде всего своим духовным обликом: ум, искренняя убежденность в своих идеалах, самоотверженность, непреклонная воля и самообладание, необыкновенная энергия, организаторский талант…
Этот человек был по плечу Софье Перовской. Она чувствовала серьезное уважение лишь к немногим мужчинам. Желябова она полюбила. Это была первая и последняя любовь в жизни Перовской, но любовь необыкновенно яркая и сильная. Только такой она и могла быть у этих выдающихся людей, беззаветно отдавших свою жизнь за счастье народа. Сын крепостного крестьянина, поднявшийся из низов, и дочь высокопоставленного чиновника шли разными путями в революцию. Но, придя в нее, они еще задолго до встречи порвали с сословными предрассудками. Отношения революционеров далеко опередили освященные традицией отношения людей. Они определялись не происхождением и сословной принадлежностью, а преданностью общему делу, верностью революционным идеалам.
В июне 1880 года Перовская под именем Лидии Антоновны Войновой поселилась в доме № 17–18 по 1-й роте Измайловского полка. С сентября вместе с ней под видом брата под фамилией Н. И. Слатвинского жил Желябов. Этот дом был последним для Перовской и Желябова. Они жили в нем вплоть до ареста.