Sang tháng 10, làn sóng cách mạng lan tràn khắp nước Nga. Ngày 7 tháng 10, V. I. Lenin từ Phần Lan bí mật trở về nước trực tiếp lãnh đạo cuộc hành động. Ngày 10 tháng 10, ban chấp hành trung ương họp quyết định khởi nghĩa vũ trang. Tại hội nghị này ban chấp hành trung ương đã bầu ra bộ chính trị do Lenin đứng đầu để lãnh đạo cuộc khởi nghĩa vũ trang. Tuy nhiên, một số ủy viên không tán thành kế hoạch khởi nghĩa nên ngày 18 tháng 10 họ đã đăng ý kiến của mình trên tờ báo Đời sống mới, do đó chính phủ lâm thời biết được kế hoạch nổi dậy nên đã chuẩn bị đề phòng. Từ mặt trận, 70 tiểu đoàn bộ binh xung kích và một số trung đoàn độc lập được điều động về bảo vệ những thành phố lớn. Do đó Lenin đã quyết định tổ chức nổi dậy sớm 1 ngày tức là ngày 24 tháng 10 làm cho đối thủ bất ngờ.

Ngày 24 tháng 10 (6-11), Lenin viết cho ban chấp hành Trung ương Đảng: "...vô luận bằng cách nào cũng không được để chính quyền nằm trong tay Kerensky".

Chiều ngày 24 tháng 10, Lenin cải trang đến điện Smolny để lãnh đạo cuộc khởi nghĩa. Tại điện Smolny trên các cửa sổ đều có đốt lửa, phía ngoài là xe thiết giáp, trạm gác bố trí tại cửa ra vào. Binh sĩ vũ trang đi lại tấp nập. Tin Lenin trực tiếp lãnh đạo cuộc khởi nghĩa nhanh chóng được báo tới khắp các trung đoàn và nhà máy. Trong khi đó, Chính phủ lâm thời đưa các đội canh gác đến đóng chung quanh những cơ quan quan trọng nhất bao gồm các học sinh sĩ quan, tiểu đoàn kị binh xung kích, tiểu đoàn lính phụ nữ và các đơn vị Cozaktập trung tại Cung điện Mùa Đông.

Chiều 24 tháng 10, cuộc khởi nghĩa bắt đầu. Theo kế hoạch, các đơn vị Cận vệ đỏ tập trung lực lượng đánh chiếm các khu vực đầu mối, trụ sở các bộ, tổng đài điện thoại, nhà ga, các cầu bắc qua sông Neva. Trong đêm 24 và ngày 25, các đơn vị Cận vệ đỏ của công nhân, binh lính cách mạng và thủy binh hạm đội Ban Tích đã đánh chiếm các vị trí then chốt ở thủ đô. Ngay trong đêm 24 tháng 10, quân khởi nghĩa đã chiếm được toàn bộ Petrograd, bao vây Cung điện Mùa Đông mà hầu như không tổn thất.
Sáng ngày 25 tháng 10, với danh nghĩa bộ chỉ huy tối cao, Kerensky đến bộ tổng tham mưu ra lệnh cho các trung đoàn Cozak sông Đông số 1, 4, 14 đến tiếp ứng. Nhưng các đơn vị này đã ngầm ủng hộ quân cách mạng, họ lấy lý do là kị binh của họ không có bộ binh mang súng máy yểm trợ nên không thi hành mệnh lệnh. Các đơn vị ở Petrograd cũng từ chối tiếp viện. Kerensky nghe tin thì biết quân đội đã quay sang ủng hộ đối phương, ông liền báo tin cho Chính phủ lâm thời biết lực lượng còn rất ít, sau đó viện lý do đến gặp các đơn vị, Kerensky đã lợi dụng xe của đại sứ quán Hoa Kỳ để trốn khỏi thành phố. Tất cả các sĩ quan cao cấp cũng bỏ về nhà riêng, chỉ còn các bộ trưởng ở lại Cung điện Mùa Đông.

Kế hoạch tấn công Cung điện Mùa Đông được ấn định vào rạng sáng ngày 25 tháng 10. Đến 7 giờ sáng, đợt tấn công thứ nhất bắt đầu. Các vòng đai dần khép lại nhưng các cuộc tấn công quá chậm và phải dùng xe hơi chuyển mệnh lệnh. 3 giờ chiều, đại bác được chĩa thẳng vào Cung điện Mùa Đông. Các chiến sĩ Cận vệ đỏ đứng sau những chướng ngại vật hoặc làm nhiệm vụ tuần tiễu chờ lệnh phát hỏa. Các đội tuần tra quan sát theo dõi mọi hoạt động của quân đội chính phủ. Đến 6 giờ chiều, cung điện bị vây chặt, binh sĩ và thủy thủ tiến sát đến cung điện và chiếm lấy tất cả những góc đường và các mái nhà ở bến tàu cạnh bộ Hải quân và cung điện. Các binh lính bảo vệ cung điện dựng chướng ngại vật chặn cổng ra vào Cung điện Mùa Đông, nã súng trường và súng máy vào các mục tiêu di động.

6 giờ chiều, đảng Bolshevik gửi tối hậu thư cho Bộ tham mưu quân sự Petrograd buộc đầu hàng nếu không sẽ cho chiến hạm Rạng Đông tấn công. Một tối hậu thư khác được gửi đến cho Chính phủ lâm thời buộc phải dọn sạch chướng ngại vật và đầu hàng vô điều kiện. Theo điều kiện đã quy định, sau 20 phút không nhận được câu trả lời sẽ cho chiến hạm Rạng Đông tấn công.

9 giờ 45 phút, chiến hạm Rạng Đông nổ loạt đại bác báo hiệu tấn công (thực ra các phát đạn không nhắm vào cung điện mà chỉ dùng tiếng nổ của đại bác để đối phương hoang mang). Hàng lính bảo vệ cung điện rối loạn và lợi dụng điều đó, thủy thủ, chiến sĩ Cận vệ đỏ và binh sĩ cách mạng tràn vào cung điện. Cuộc chiến diễn ra tới 2 giờ 45 phút sáng thì kết thúc. Toàn bộ chính phủ lâm thời bị bắt (trừ Kerensky).

Tác giả Thierry Wolton cho rằng tất cả nhân chứng thời đó đều nói về sự kiện tấn công cung điện mùa đông như một cuộc đảo chính chớp nhoáng. Báo L’Humanité của cộng sản Pháp ngày 09/10/1917 đăng bài "Cuộc đảo chính tại Nga". Khi đó lực lượng quân sự của người Bolshevik tiến vào Cung điện Mùa Đông, lúc đó đã trở thành quân y viện, họ không gặp sự kháng cự nào đáng kể từ đội nữ binh và các sinh viên sĩ quan. Ở bên ngoài, xã hội vẫn hoạt động bình thường, hầu như đa số người dân thủ đô Petrograd không nhận ra. Theo nhà sử học Mỹ Richard Pipes, thiệt hại trong cuộc tấn công vào Cung điện Mùa đông chỉ có năm người chết và một số người bị thương, hầu hết là do đạn lạc. Sau sự kiện này, tất cả báo chí không phải của người Bolshevik đều bị cấm còn hội đồng Xô Viết bị ngưng hoạt động mười ngày sau đó. Chính quyền do người Bolshevik lãnh đạo cai trị bằng sắc lệnh. Một tháng sau, Tchéka (Ủy ban đặc biệt toàn quốc về đấu tranh chống phản cách mạng, tung tin đồn nhảm và phá hoại) ra đời. Đến tháng 1 năm 1918, Quốc hội lập hiến bị giải tán, đến tháng 6/1918 những trại giam đầu tiên được thành lập trong thời kỳ Nội chiến Nga chống Bạch Vệ. Những diễn biến này cũng rất giống với diễn biến của Cách mạng Pháp 1789: mở màn bởi cuộc đảo chính chiếm ngục Bastille, sau đó là giải tán quốc hội lập hiến và cuộc chiến tranh chống lại sự tấn công các nước phong kiến châu Âu. Theo Thierry Wolton, từ "Cách Mạng Tháng Mười" mang lại một vầng hào quang cho sự kiện, khiến nó được nâng ngang tầm với những tiến bộ như Cách mạng Pháp 1789.