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1917年9月9[22]日，在彼得格勒苏维埃转向布尔什维克后，托洛茨基当选[[彼得格勒苏维埃]]主席。同时，他还当选为[[俄罗斯共和国临时议会]]议员，但在列宁的指示，托洛茨基领导临时议会的布尔什维克议员退出该议会。议员，但根据列宁的指示，托洛茨基领导临时议会的布尔什维克议员退出该议会。

1917年10月12[25]日，托洛茨基以彼得格勒苏维埃主席的名义设立了[[彼得格勒军事革命委员会]]，开始着手争取彼得格勒卫戍部队的支持并武装工人、组建赤卫队。在此期间，托洛茨基参加了彼得格勒军区的多次士兵集会，使摇摆不定的驻军转向支持布尔什维克。，开始着手争取彼得格勒卫戍部队的支持并武装工人、组建赤卫队。在此期间，托洛茨基参加了[[彼得格勒军区]]的多次士兵集会，使摇摆不定的驻军转向支持布尔什维克。

1917年10月25日[11月7日]，托洛茨基是[[彼得格勒武装起义]]的主要组织者之一，他还在当天召开的[[全俄苏维埃第二次代表大会]]上驳斥了上怒斥了[[孟什维克]]与[[社会革命党]]。在[[彼得·克拉斯诺夫]]指挥军队攻打彼得格勒期间，托洛茨基组织了该城市的城防工作，并在前线亲自督战。

1917年10月27日[11月9日]，根据全俄苏维埃第二次代表大会的决定，托洛茨基被任命为[[苏俄外交人民委员]]。他担任外交人民委员后继续使苏维埃政府摆脱外交孤立的局面，但他与驻彼得格勒的外国大使的谈判没有结果，协约国和中立国拒绝承认苏维埃政府的合法性。。他担任外交人民委员后，需要使苏维埃政府摆脱外交孤立的局面，但他与驻彼得格勒的外国大使的谈判没有结果，[[协约国]]和中立国拒绝承认苏维埃政府的合法性。

1918年1月至2月，托洛茨基代表苏维埃俄国与德国政府进行谈判，但托洛茨基不同意立刻签订和平条约，甚至提出了“不战不和”的中间纲领。但随着德奥联军于2月18日发动新一轮攻势，苏俄损失了大片领土后，托洛茨基意识到他的路线失败了，随后他在2月22日辞去外交人民委员的职务。最终在[[列宁]]的坚持下，中央委员会全体会议同意与德国签订和平条约，而托洛茨基在会议上投了弃权票。的坚持下，中央委员会全体会议同意与德国签订[[布列斯特和约|和平条约]]，而托洛茨基在会议上投了弃权票。