La Revolución de febrero de 1917 puso fin a su reinado cuando, intentando volver del cuartel general a la capital, su tren fue detenido en Dno, gobernación de Pskov, y fue obligado a abdicar. El zar y su familia fueron apresados, primero en el palacio de Alejandro, en Tsárskoye Seló, después en la casa del gobernador de Tobolsk y finalmente en la Casa Ipátiev, en Ekaterimburgo. Nicolás II, junto a su esposa, su hijo, sus cuatro hijas, el médico de la familia imperial, un criado personal, la camarera de la emperatriz y el cocinero de la familia fueron ejecutados en el sótano de la casa por los bolcheviques en la madrugada del 16 al 17 de julio de 1918​ Posteriormente, Nicolás II, su mujer y sus hijos fueron canonizados por la Iglesia ortodoxa rusa fuera de Rusia.

Aunque inicialmente simpatizó con los mencheviques y tuvo disputas ideológicas y personales con el líder bolchevique, Vladímir Lenin,​ Trotski fue uno de los organizadores clave de la Revolución de Octubre, que permitió a los bolcheviques tomar el poder en noviembre de 1917 en Rusia. Durante la guerra civil subsiguiente, desempeñó el cargo de comisario de asuntos militares.

Negoció la retirada de Rusia de la Primera Guerra Mundial mediante la Paz de Brest-Litovsk. Tuvo a su cargo la creación del Ejército Rojo que consolidaría definitivamente los logros revolucionarios venciendo a un pobre apoyo de ejércitos extranjeros y a los ejércitos blancos durante la guerra civil rusa; fue condecorado con la Orden de la Bandera Roja.​

Posteriormente, se enfrentó política e ideológicamente a Iósif Stalin, liderando la oposición de izquierda, lo que le causó el exilio y posterior asesinato. Tras su exilio de la Unión Soviética, fue el líder de un movimiento internacional de izquierda revolucionaria identificado con el nombre de trotskismo y caracterizado por la idea de la «revolución permanente». En 1938, fundó la Cuarta Internacional.

Murió asesinado en México por Ramón Mercader, un agente español de la NKVD soviética, por orden de Stalin.​