Одно из первых подобных поручений, данных Лениным, — организация в конце октября 1917 г. вместе с Дзержинским, Орджоникидзе, Подвойским, Свердловым и Урицким обороны Петрограда во время мятежа генерала Краснова. Сталин принимал участие в разработке оперативного плана разгрома мятежных войск, создании отрядов Красной гвардии на заводах и фабриках. Но наибольшую известность, благодаря усилиям самого Сталина получило другое поручение вождя.
В мае 1918 г. в Поволжье вспыхнул мятеж Чехословацкого легиона. Отказавшись разоружиться, чешские легионеры пошли на захват всей Транссибирской железной дороги от Пензы до самого Владивостока. Это позволило различным антибольшевистским группировкам в городах, расположенных вдоль дороги от Волги до Тихого океана, поднять флаг восстания. Мятеж чехословаков произошел в весьма критический период для Советской республики: она оказалась отрезанной от украинского и сибирского хлеба. Оставался только один район, откуда можно было добыть хлеб — юго-восток, Поволжье и Северный Кавказ, путь к которым проходил через Царицын.
В конце мая 1918 г. Сталин был командирован на юг России в качестве чрезвычайного уполномоченного ЦК по продовольственному снабжению. Вместе с народным комиссаром труда А.Г. Шляпниковым он получает чрезвычайные полномочия. О военных задачах еще не было и речи. Но Сталину сразу же пришлось ими вплотную заниматься. Прибыв 6 июня 1918 г. во главе отряда в 400 человек в Царицын, главный транспортный узел, откуда шло с перебоями продовольствие в Центральную Россию с Северного Кавказа, за сутки Сталин отменил свободную продажу хлеба, которая была в городе, ввел карточную систему и твердые цены. Обнаружил паровозы, на отсутствие которых ссылались местные власти, и наладил поставку продовольствия на север из Царицына.
В это время Царицын со стороны суши блокировали восставшие казачьи части. В критический момент город оказался к обороне не готов. Защищала город 10-я армия, сформированная на базе 5-й Украинской Красной Армии, выведенной сюда из Донбасса, командовать которой было поручено Ворошилову. Ее численность достигала 50 тыс. человек, значительно превосходя казачьи войска белых. Не обладая специальными военными познаниями, Сталин, оказавшись в зоне военных действий, упор делал на силовые методы, часто грозил «революционной карой», трибуналом, о чем он незамедлительно сообщил в своей записке в Центр: «Можете быть уверены, что не пощадим никого, ни себя ни других, а хлеб все же дадим». Сталин потребовал у Центра необходимых военных полномочий, и такие полномочия были ему даны, несмотря на протесты Троцкого. 19 июля был создан Военный совет Северо-Кавказского военного округа во главе со Сталиным. Не доверяя военспецам, из которых Троцкий формировал Красную Армию, Сталин настраивал против них местных красных командиров. Несмотря на протесты Троцкого, они с Ворошиловым арестовали, обвинив в измене, старшего военного специалиста А.Е. Снесарева и несколько штабных работников, поместив их в плавучую тюрьму, созданную на барже.
В августе 1918 г., несмотря на то, что еще в ходе боев на дальних подступах к Царицыну вся конница армии оказалась отрезана белыми и окружена в 100 км от города в районе Котельникова, тем не менее в результате жестких мер, принятых Сталиным, оборону Царицына удалось укрепить, было сформировано несколько новых дивизий, созданы отряды рабочего ополчения. Системе обороны немало способствовала и окружная железная дорога, по которой были пущены бронепоезда и «бронелетучки». По инициативе Сталина сотни «нетрудовых элементов» были согнаны на рытье окопов. Не доверяя стойкости войск, Сталин приказал отогнать вниз по Волге все пароходы и лодки, лишая обороняющихся самой возможности отступления. Царицын в августе выстоял благодаря жестким мерам чрезвычайного уполномоченного Сталина, а также помощи 40-тысячной Стальной дивизии Жлобы, самовольно уведенной им с Северного Кавказа. В самый разгар очередного штурма эта дивизия обрушилась с тыла на южную колонну белых. По подсчетам специалистов, за время царицынской обороны потери красных составили не менее 60 тыс. человек.
17 сентября Сталин назначается председателем вновь образованного Военно-революционного совета Южного фронта. Реввоенсовет Южного фронта в составе Сталина, Ворошилова, председателя Царицынского совета С.К. Минина и командующего фронтом П.П. Сытина работал крайне неэффективно, постоянно ухитрялись распылять свои силы и подкрепления, собираемые правдами и неправдами. Троцкий категорически требовал у Ленина отозвания Сталина из Царицина, а Ворошилова грозил отдать под суд. 19 октября Сталина отозвали из Царицына.