10月25日，起义的总参谋部——军事革命委员会成立，托洛茨基当选为主席，之前他已是苏维埃主席。10月27日，列宁在火车司机雅瓦拉的家中会见了中央委员会军事局的领导人捷尔任斯基、米·谢·克德罗夫、弗·伊·涅夫斯基、尼·依·波德沃伊斯基等人，讨论了武装起义问题，其中包括成立起义司令部——彼得格勒苏维埃军事革命委员会的问题。列宁提出，军事革命委员会应是一个全权机关，但又是一个非党的、联系广大工人、士兵阶层的起义机关。
10月29日晚上，列宁和几位同志参加中央委员会扩大会议。当他走在列斯诺伊区杜马大厦附近空荡的胡同里时，突然一阵狂风刮来，把头上戴的帽子和假发吹掉了，这一下子使列宁意识到，如果起义再拖下去，反革命的“狂风”同样可能把自己和同志们的脑袋“吹去”。会上列宁主持了会议，除中央委员会外，军事局、彼得格勒委员会以及其他地区的代表参加了会议。列宁作了关于10月23日中央委员会会议的报告，斯维尔德洛夫宣读了各地准备起义的情况和通报，接着参加会议的各地和各组织代表汇报了起义的准备情况和广大群众的情绪。会议再次肯定了列宁提出的关于起义的决议案，并成立了由斯维尔德洛夫、斯大林、捷尔任斯基、布勃诺夫、乌里茨基等组成的领导起义的革命军事总部，这个总部是彼得格勒苏维埃革命军事委员会的领导核心。
扩大会议之后，布尔什维克党加紧了起义的组织工作和技术方面的准备工作。中央派许多特派员到各地组织和领导起义。各地党组织和各地苏维埃召开各种类型的会议，进行起义前的动员和组织准备，工人赤卫队大约有20万人，彼得格勒的卫戍部队士兵在托洛茨基的争取下大多数站到了革命方面来。起义迫在眉睫，利箭在弦。
在这紧要关头，加米涅夫和季诺维也夫，公然在10月31日的《新生活报》上发表反对武装起义的声明，泄露党的机密。在声明中，他们公开反对党中央关于武装起义的决定，表示“反对任何发动武装起义的企图，这种企图定归于失败，而给党、给无产阶级、给革命的运动招来致命的后果”，“把一切放在日内一次进攻上作孤注，乃是冒险绝望的行动”。显然，这个声明客观上起到了为克伦斯基通风报信的作用。
列宁得知消息后，十分震惊和气愤，他在给中央的信中痛斥这种行为是无耻的工贼行为，是对革命的叛变，提议把他们开除出党，撤销他们的职务。但斯大林宣称，出于对两位老同志的“关心”，加上两人认错态度好，主张从轻处理。最后中央委员会责成二人不得擅自发表反对中央路线的言论。
政府得到起义消息的当晚，立即召开紧急会议，密谋镇压武装起义的措施：下令前线大本营迅速把军队调回彼得格勒，命令城内外驻防的哥萨克军队进入戒备状态，把附近各军事学校的士官生集结在城内，增派军队控制涅瓦河上各重要桥梁，迅速组织妇女“敢死队”以补兵源不足，等等。11月2日，司法部部长命令法院立即发出逮捕列宁的新命令。革命危在旦夕。
11月2日夜至3日凌晨，列宁在工人巴甫洛夫家里会见了中央军事局领导人涅夫斯基、波德沃依斯基等人，听取了他们关于彼得格勒武装起义准备工作进展情况的汇报。由于军事局已派代表到各前线军队和各城市中去联系给予武装起义支援，波德沃依斯基建议推迟起义。列宁否定了这一建议，因为这样会给敌人以更大的喘息机会。
11月3日，政府彼得格勒军队委员会代表会议正式承认彼得格勒革命军事委员会是卫戍部队的真正指挥机关，除非有托洛茨基或他的助手或适当受权的革命军事委员会的命令，任何人的命令都不服从。11月4日，革命军事委员会任命了驻扎在首都及其周围的几乎所有团队的军事委员，因而保证了同实际在指挥下的所有部队的联系。凡是不服从苏维埃的军官均被撤职或查办。
政府在积聚力量蠢蠢欲动的同时，企图采取先发制人的手段向布尔什维克发难。11月5日夜，克伦斯基得到预备国会的赞同，获准全权镇压革命。他下令哥萨克部队整装待发，准备占领武装起义司令部所在地——斯莫尔尼宫；要各守桥部队拉开涅瓦河上的活动桥梁，以割断彼得格勒工人区同斯莫尔尼宫的联系；几支士官生炮队到冬宫广场集合待命。11月6日黎明，士官生奉政府之命，袭击并查封了布尔什维克中央机关报《工人之路》和中央军事组织的《士兵报》印刷厂。上午7时左右，彼得格勒城内大部分街道的交通已经中断。政府下令调动武装占领起义指挥中心斯莫尔尼宫，并增派士宫生、“敢死队”守卫政府所在地冬宫。
《工人之路》遭到袭击后，布尔什维克中央立即召开会议，针锋相对，对政府的进攻进行反击。上午10时，工人赤卫队和革命士兵夺回被士官生所占据的印刷厂，并在《工人之路》报编辑部和印刷厂门前布置岗哨，加强防御。上午11时，《工人之路》报出版。同时，革命军事委员会首先用电话通知各部队整装待命，要求赤卫队总司令部动员所有的力量和调动所有的运输工具，配合革命士兵，保卫工厂，占领首都各主要地点和政府机关，并派出大量赤卫队加强对斯莫尔尼宫的保卫。6日下午，工人赤卫队和革命士兵很快控制了中央电报局、电报通讯社，并控制了涅瓦河上的一些重要桥梁。
列宁住在秘密场所密切注视革命力量和反革命力量展开斗争的动向。在得到政府已先下手的消息后，很快就写了张条子送给中央委员会，请求允许他到斯莫尔尼宫去，但是没有被允许。于是列宁立即提笔给中央委员会写了急信，让秘密交通员福法诺娃火速送到起义指挥部。信中写道：“我写这几行字是在24日晚上（俄历10月24日——编者注），情况已经万分危急。非常清楚，现在拖延起义真的就等于死亡。我尽力向同志们说明，现在正是千钧一发的关头，目前提上日程的问题决不是会议或代表大会（即使是苏维埃代表大会）所能解决的，而只有人民，只有群众，只有武装起来的群众才能解决……无论如何必须在今晚逮捕政府人员，解除士官生的武装（如果他们抵抗，就消灭他们），历史不会饶恕那些拖延时刻的革命者。”
福法诺娃送信去斯莫尔尼宫后，列宁放心不下，没等她回来，就决定亲自到斯莫尔尼宫去指挥起义。拉希亚帮他找了一个旧大衣穿上，用手巾把半边脸扎起来，戴上一顶旧的鸭舌帽，拉希亚打扮成流浪汉的样子，这样在路上避免让人认出。为防万一，他们还准备了两张去斯莫尔尼宫的通行证。走时，列宁给送信未归的福法诺娃留了一张便条：“我走了，到您不想叫我去的地方去了。再见！伊里奇。”
列宁和拉希亚首先坐上了一趟空空的电车，到波特金大街的拐弯处下车，步行到利齐尧大桥，那里赤卫队控制着，他们顺利过关。但当走到桥的另一端时，却发现是由克伦斯基的士兵把守着，一些因为没有通行证而不被放行的工人围着士兵吵着。列宁趁哨兵争吵没注意，和拉希亚悄悄绕过岗哨过了桥，转向什帕列拉街。在什帕列拉街走了一段较长的路，就被迎面而来进行巡逻的两名骑马的士官生拦住，要他们出示通行证。一身流浪汉打扮的拉希亚装起醉鬼的样子，故意和士官生结结巴巴地拌起嘴来。士官生以为是喝醉酒的两个工人，也就没有继续追问。事不宜迟，他们尽量抄森林小道，走近路，很快便到了距市中心数公里远的郊区。
在宽阔的涅瓦河畔，列宁终于来到了戒备森严的斯莫尔尼宫。这原来是为贵族小姐开设的修道院学府，现在却是革命的指挥中心。全楼100多个房间中，灯火通明，人声鼎沸，打字机声和电话铃声响成一片，各个工作部门紧张而繁忙地运作着，几百名联络员进进出出，设在三楼的作战指挥部——革命军事委员会在不间歇地开会，随时作出决策。广场上装甲车隆隆作响，一批批汽车和摩托车开进开出。大厦入口处摆着机枪和大炮，大厦周围岗哨林立。大厅里聚集着全俄苏维埃第二次代表大会的代表。
列宁的到来，使同志们既感到大吃一惊和意想不到，又十分高兴，因为这样列宁可以直接驾驭整个起义的航轮，成为起义的总指挥。在听取了托洛茨基等人的工作汇报后，列宁立即下达了正式举行武装起义的命令和进行起义的有关事项。他要求把最可靠的部队调动到最重要的据点去，首先占领电话局等要地，攻克彼得保罗要塞，逮捕总参谋部和政府的官员；派遣那些宁可战死而不让敌人前进的“敢死队”去阻止士官生和野蛮师……打字机立刻记下了他的口授文件，然后由他将文件签署上自己的名字。一份份手令从这里迅速送达各处。
斯莫尔尼宫热火朝天，彼得格勒通宵激战，各种报告和请示从四面八方送到列宁手中。列宁不时派出信使，及时给予指示和处理。
参加起义队伍的工人赤卫队、卫戍部队和波罗的海舰队的革命士兵共20万人投入战斗。而克伦斯基政府从前线急调的军队尚未赶到，留守彼得格勒的武装力量，连哥萨克、士官生、“妇女敢死队”之类的力量合起来也只有几万人。革命形势呈排山倒海之势，势如破竹，所向披靡，经过激战，到11月7日凌晨，起义队伍已占领了各主要桥梁、火车站、电话站、发电站、银行等战略要点，除政府藏身的冬宫玛丽娅宫、总参谋部等附近的一小块地区外，整个城市实际上已掌握在起义队伍手中。上午10时左右，克伦斯基化装成水兵乘坐美国大使馆的汽车仓皇逃出彼得格勒。
从11月6日深夜至7日凌晨，列宁还主持召开了布尔什维克中央委员会会议，会议听取了关于武装起义进展情况的汇报，讨论并决定俄国新政府的名称为“工农政府”，政府成员为“人民委员”，初步确定了人民委员的人选，讨论了制定土地法令的问题。
11月7日上午，列宁起草了《告俄国公民书》，由“阿芙乐尔号”巡洋舰电台以军事革命委员会的名义播发，并在当天的报上发表。文中宣布，资产阶级政府已被推翻，国家政权已转到军事革命委员会手中。下午1时，起义队伍攻下了预备国会所在地玛丽娅宫，解散了预备国会。下午2时35分，列宁出席在斯莫尔尼宫举行的彼得格勒工兵代表苏维埃紧急会议。当他在会场出现时，会场上响起了暴风骤雨般的掌声和欢呼声。列宁在会上作了关于苏维埃政权的任务的报告。列宁指出，布尔什维克始终认为必须进行的工农革命已经成功了，俄国开始步入新时代，从现在开始应着手建设无产阶级的新国家。会议顺利通过了列宁起草的决议。
下午6时，起义队伍已将政府盘踞的最后一个据点冬宫完全包围。冬宫位于市中心，是原沙皇居住地。它背靠涅瓦河，面对一片开阔广场，是一座高22米、宽160米、长200米的豪华典雅的建筑物，有1050个大小厅房。克伦斯基逃跑后，政府各部的官员全龟缩于此。1500多名士官生、哥萨克部队和“妇女敢死队”死守。革命军事委员会向政府发出最后通牒，令其于6时20分停止抵抗，缴械投降。政府接到通牒后，以要与前线大本营协商为借口，拖延时间，企图顽抗。于是革命军事委员会决定以武力解决。晚上9时，彼得保罗要塞发射3发信号弹，进攻开始。晚上9时40分，起义水军驾驶“阿芙乐尔号”巡洋舰开进涅瓦河，向冬宫发射炮弹，冬宫阵地内的敌人顿时一片慌乱，大门被人从里面打开，士兵、水兵和赤卫队员趁势冲进去。深夜2点15分，队伍完全占领冬宫，政府的各部部长全被逮捕。至此，彼得格勒武装起义已取得全面胜利。
当攻占冬宫的战斗正在激烈进行时，全俄工兵代表苏维埃大会在斯莫尔尼宫开幕。出席大会的代表约670名，布尔什维克390名，占了大多数，同情支持布尔什维克的左派社会革命党人169人，而右派社会革命党人和孟什维克不到100人。
斯莫尔尼宫的大厅内人声鼎沸，挤得水泄不通。10时40分，在会议主持人一个劲儿使劲摇铃后，大会宣布开始。孟什维克和右派社会革命党人眼看自己处于少数和孤立的地位，拒绝推选自己的代表参加主席团，他们发表了一份声明，攻击武装起义是“搞军事阴谋”，是“对祖国和革命的犯罪行为”，“规劝”工人和革命士兵要“及时醒悟”，宣称“唯有组织统一民主政权才能制止国内战争”，恫吓说“军队将从前线开临彼得格勒，会将城市彻底摧毁”。革命形势已明朗化，他们的理论已没有市场，在一片斥骂声中灰溜溜地退出会场。次日凌晨3时10分，大会接到攻下冬宫的捷报，顿时全场沸腾，欢声雷动。