1914年6月28日，塞尔维亚青年普林西波刺杀了奥匈帝国的皇太子。这一事件对于寻找发动战争借口的帝国主义者来说，是个千载难逢的机会。7月28日，奥匈帝国在德帝国的怂恿下向塞尔维亚宣战，首先进攻贝尔格莱德。8月1日，德国向俄国宣战，第三天又向法国宣战。8月5日，德军进攻比利时，英国以此为由向德国宣战。接着，奥匈帝国向俄国宣战，英国向奥国宣战，于是，第一次世界大战爆发了。
大战刚一爆发，第二国际中的机会主义领袖们就公开投入资产阶级的怀抱，他们鼓吹“保卫祖国”，要求工人阶级同本国统治阶级合作。但是，各国社会民主党左派仍坚持正确的原则，拒绝与本国资产阶级政府合作，谴责帝国主义战争。以列宁为首的俄国布尔什维克从大战一开始就采取坚定的无产阶级国际主义立场，明确提出“变现时的帝国主义战争为国内战争是唯一正确的无产阶级口号。”而且，列宁进一步指出，无产阶级应该“使本国政府在帝国主义战争中失败。”列宁在《战争和俄国社会民主党》一文中指出：“从国际无产阶级的观点看，在现时情况下，不能肯定交战国双方哪一方失败对社会主义危害最小。但是，对于我们俄国社会主义党人来说，毫无疑问，从俄国各民族的工人阶级和劳动群众的观点来看，要是压迫欧亚两洲的民族和人口最多的、最反动、最野蛮的沙皇专制政府失败，那危害是最小的了。”
然而，托洛茨基却提出了“不胜不败”的主张，他在《军事溃败和政治前途》一文中认为，假使一方失败，意味着获胜方得到巩固，这对革命没有好处。就失败方而言，由于社会生活的涣散，工人阶级的组织也将更加涣散。因此，“俄国失败——祸害较小”的口号在理论预见和意义上讲是个猜测性的口号，在鼓动的意义上讲是全然无用的。托洛茨基提出的口号是“不胜不败”，要“为和平而斗争”。显然，这是一个空洞的口号。
不论怎样，托洛茨基是坚决反对帝国主义战争的，拒绝支持沙皇。1915年在瑞士参加反战社会主义者国际会议。因鼓动反战，于1916年被逐出法国。后赴西班牙，又被逐。1917年1月抵纽约，与布哈林合编俄文报《新世界》，继续宣扬反战思想。
第一次世界大战加剧了俄国国内的社会矛盾，1917年2月，彼得堡工人举行罢工，并由此引发了二月革命，许多城市都建立了苏维埃政权。
二月革命时期，托洛茨基远居美国，他密切注意二月革命事态的发展动向，他“以美国报刊上贫乏的消息为依据，给革命发展作出分析与预断。”1917年5月，托洛茨基回到彼得堡，在政治立场上转向布尔什维克，表示接受列宁的主张，加入布尔什维克，成为彼得堡革命运动的具体指挥人员之一。
1917年7月3日（俄历），彼得堡的士兵和工人群众举行反对资产阶级临时政府的示威游行。7月4日，托洛茨基发表演讲，深信“全部政权归苏维埃”的口号必定胜利。7月5日，资产阶级临时政府开始了镇压活动，托洛茨基被捕。
托洛茨基被捕后不久，布尔什维克召开了第六次代表大会，托洛茨基被缺席选为中央委员，仅比列宁少得两票。
9月初，托洛茨基出狱，当选为彼得堡苏维埃主席，10月，他被选为党中央政治局委员，并担任彼得堡苏维埃革命军事委员会主席，协助列宁准备和指挥十月武装起义。10月24日，起义开始发动；25日，起义部队攻打冬宫，托洛茨基在彼得堡工兵代表苏维埃举行的特别会议上，代表革命军事委员会宣布：“临时政府不存在了！”
十月武装起义的前前后后，是托洛茨基一生政治生涯中的“黄金时期”，他在很多重大问题上支持列宁的主张，其历史作用是无法抹杀的。
十月革命胜利，苏维埃政府成立后，和平问题成为当时苏维埃俄国最紧急、最迫切的问题。立即终止战争，是各国人民的迫切希望，更是刚刚取得政权的俄国人民的迫切希望。布尔什维克掌握政权，就立即代表广大人民群众的利益和愿望，宣布俄国一定要退出这场帝国主义战争，完全摒弃沙皇政府和俄国资产阶级临时政府的帝国主义掠夺政策。1917年10月，全俄苏维埃第二次代表大会通过《和平法令》。苏维埃政府郑重声明，决心根据对一切民族都公正的条件，“立即签订和约，终止这场战争。”托洛茨基作为苏维埃政府的外交人民委员，具体负责处理外交事务。
英、法等国竭力阻止苏维埃俄国退出战争，试图借俄国的军队牵制德国；而德国则希望摆脱两线作战的困境，集中力量打击英、法等国的军队。在这种情形下，俄国与德国开始了和平谈判。
在谈判中，德国方面利用俄国的不利处境，提出了苛刻的条件，不仅要求苏联放弃波兰、波罗的海沿岸的地区，把白俄罗斯的一部分地区转交给德国，而且觊觎乌克兰地区。当时苏维埃政府面临两种抉择；或者同德国终止谈判，继续战争；或者同德国继续谈判，签订和约。布哈林等人主张继续战争，而列宁则主张签定和约。列宁认为，“爱国主义”的旗号下所进行的战争，将会断送革命，毁灭新生的苏维埃政权。在这场针锋相对的斗争中，托洛茨基走的是“中间路线”，提出“不战不和”的方针，主张停止战争而不签订和约。
1918年2月，托洛茨基违背列宁的指示，在布列斯特发表了拒绝签订和约的声明。同时，他错误认为德国不可能发动进攻，俄国部队发出全面复员的命令。为了以战求和，德国军队随即发动了大规模的军事进攻，直逼苏维埃俄国当时的首都彼得堡。在严峻的军事形势面前，苏维埃中央委员会的多数成员同意了列宁的主张，立即派代表前往布列斯特，与德国方面签订了和约。
根据布列斯特和约，原来在俄罗斯帝国内的大片地区将脱离苏维埃俄国，这些地区的未来命运，由德国政府和奥匈帝国决定；在条约规定的界线以东，在条约签订前为德军占领的那些俄国地区仍留在德国人手里；苏俄必须对其军队，包括现政府所整编的各部队在内，实行全面复员；此外，苏维埃政府必须马上与乌克兰地方政府签订和约，并承认它同德、奥等国缔结的和约的合法性；苏俄还要向德国支付大宗战争赔款。布列斯特和约的条款，比德国政府先前所提出条件更苛刻。对于这严重后果的造成，托洛茨基显然负有很大的责任。
布列斯特和约签订后，托洛茨基辞去了外交人民委员的职务。