Прибыв в Лондон к Ленину, Троцкий стал постоянным сотрудником газеты, выступал с рефератами на собраниях эмигрантов и быстро приобрел известность. На II съезде РСДРП, летом 1903 года так горячо поддерживал Ленина, что его назвали «ленинской дубинкой». Из-за организационных перестановок в редакции «Искры» перешел на сторону меньшинства.
В 1904 году увлёкся теорией «перманентной революции» о развитии революционного процесса в периферийных и слаборазвитых странах.
В 1905 году Троцкий был одним из создателей Петербургского совета рабочих депутатов, был арестован и осуждён на вечное поселение в Сибирь с лишением всех гражданских прав. По пути в Обдорск (ныне Салехард) бежал из Берёзова.
С 1908 по 1912 год издавал в Вене газету «Правда» (не ленинская). В 1914–1915 годах в Париже выпускал ежедневную газету «Наше слово». В сентябре 1915 года участвовал в работе Циммервальдской конференции вместе с Лениным и Мартовым. На этой международной конференции левых социалистов из 11 стран образовалась левая группа, на основе ее был создан в 1919 году Коминтерн. Принятый конференцией манифест признал шедшую мировую войну империалистической со стороны всех вовлечённых в неё стран, призывал «начать борьбу за мир без аннексий и контрибуций». Этот «пацифистский» проект написан Троцким.
В 1916 был выслан из Франции в Испанию, откуда уже испанскими властями выслан в США, где продолжил деятельность публициста.
После Февральской революции Троцкий направился в Россию. 4 мая 1917 года приехал в Петроград. В июле на VI съезде РСДРП(б) был избран в состав ЦК РСДРП. 20 сентября Троцкий был избран председателем Петроградского совета рабочих и солдатских депутатов.
12 октября 1917 года Троцкий в качестве председателя Петросовета сформировал ВРК (Военно-революционный комитет), состоявший в основном из большевиков, а также левых эсеров. ВРК стал основным органом подготовки вооружённого восстания. Сразу после своего формирования ВРК начал работу по склонению на свою сторону частей Петроградского гарнизона. Уже 16 октября председатель Петросовета Троцкий приказывает выдать красногвардейцам 5 тысяч винтовок. В период 21–23 октября большевики проводят серию митингов среди колеблющихся солдат. Ораторское искусство Троцкого сильно помогло большевикам склонить на свою сторону колеблющиеся части гарнизона. 23 октября Троцкий лично «разагитирует» гарнизон Петропавловской крепости. 25–26 октября выступает в качестве главного большевистского оратора на II Съезде Советов. Фактически Троцкий был одним из главных руководителей Октябрьской революции. «Быстрым переходом гарнизона на сторону Совета и умелой постановкой работы Военно-революционного комитета партия обязана прежде всего и главным образом товарищу Троцкому», – писал Сталин.
При наступлении на Петроград войск генерала П.Н. Краснова в октябре (ноябре) 1917 года Троцкий организовывал оборону города. 29 октября лично проверяет на Путиловском заводе подготовку артиллерийских орудий и бронепоезда, 30 октября лично прибыл на Пулковские высоты, где состоялось решающее столкновение между революционными силами и казаками генерала Краснова.
После победы восстания в октябре 1917 года ВРК вплоть до своего самороспуска в декабре фактически оказался единственной реальной силой в Петрограде, в отсутствие ещё не успевшей сформироваться новой государственной машины. При ВРК образуется «комиссия по борьбе с контрреволюцией», ВРК закрывает своей властью ряд газет, организует продовольственное снабжение города. Уже 7 ноября Троцкий от имени ВРК публикует в «Известиях» воззвание «Вниманию всех граждан», объявляющее, что «богатые классы оказывают сопротивление новому Советскому правительству, правительству рабочих, солдат и крестьян. Мы предупреждаем богатые классы и их сторонников: если они не прекратят свой саботаж… то они будут лишены права получать продукты. Все запасы, имеющиеся у них, будут реквизированы. Имущество главных виновников будет конфисковано». 2 декабря Петросовет под председательством Троцкого принимает резолюцию «О пьянстве и погромах»: разоружить и арестовать всех, порочивших себя участием в пьянстве и разгроме.
Практически немедленно после прихода большевиков к власти как Ленин, так и Троцкий делают целый ряд жёстких заявлений о полной готовности бороться со своими политическими противниками любыми методами. 17 декабря 1917 года, в своём обращении к кадетам, Троцкий заявляет о начале стадии массового террора по отношению к врагам революции. Понятие «красный террор» было сформулировано Троцким как «орудие, применяемое против обреченного на гибель класса, который не хочет погибать».