Illegaal naar Rusland teruggekeerd, speelde Trotski een belangrijke rol in de revolutie van 1905 als leider van de Petersburgse sovjet. Na het mislukken van de revolutie werd hij voor levenslang verbannen naar Siberië, maar wist in 1907 te ontsnappen. Hij vluchtte naar het Westen, waar hij in o.m. Wenen verbleef. Sedert 1913 leidde hij een groep sociaal-democraten (de mezjrajontsy) die een hereniging van de Russische sociaal-democratie nastreefde. Tijdens de Eerste Wereldoorlog, die hij als een imperialistisch conflict afwees, was hij actief in de links-socialistische anti-oorlogbeweging en nam hij deel aan de conferenties van Zimmerwald en Kiental. Uit Frankrijk, waar hij toen woonde, werd hij wegens deze activiteiten uitgewezen en hij belandde in 1916 in de Verenigde Staten.

Tijdens de oorlog kwamen Trotski en Lenin qua opvattingen steeds dichter tot elkaar. Na de februarirevolutie van 1917 keerde Trotski naar Rusland terug. Aangezien de bolsjeviki onder Lenins leiding inmiddels vrijwel identieke doelen nastreefden, sloot Trotski zich met zijn groep in juli 1917 bij de bolsjevistische partij aan. Als begaafd redenaar kreeg hij grote invloed op de massa. Hij werd voorzitter van de Petrograder sovjet (vanaf september met bolsjevistische meerderheid) en leidde tevens het Militaire Revolutionaire Comité ervan, dat in oktober de bolsjevistische revolutie uitvoerde.

In de eerste sovjetregering nam hij Buitenlandse Zaken op zich en voerde als zodanig besprekingen met de centrale mogendheden. Hij volgde hierbij, overeenkomstig zijn idee ‘oorlog noch vrede’, een politiek van afwachten en rekken van de onderhandelingen, hopend op een ineenstorting van de vijand. De Vrede van Brest-Litovsk werd tegen zijn zin aangenomen, waarop hij aftrad en het volkscommissariaat van Oorlog ging leiden (1918–1925). Hier ontplooide hij ten volle zijn capaciteiten als organisator; hij wist het Rode Leger in de loop van de Burgeroorlog tot een goed functionerende krijgsmacht uit te bouwen, waarbij voormalige tsaristische officieren onder politieke controle een grote plaats innamen. Dit pragmatische beleid bracht in de partij een principiële ‘militaire oppositie’ teweeg.

Trotski wilde de organisatievorm van het leger ook op de productie toepassen, waartoe hij een plan tot militarisering van de economie ontwierp, dat door middel van een sterk gecentraliseerd bureaucratisme, gekoppeld aan militaire arbeidsdiscipline, in een intensieve industrialisering van het land voorzag. In concreto was hiermee, op Trotski's initiatief, al een begin gemaakt in de transportsector. In korte tijd werd op dit terrein succes geboekt, maar het ontlokte ook oppositie, m.n. van vakbondszijde.

In de eerste jaren van zijn ballingschap drong zijn ‘bjoelleten oppositsii’ nog enigszins in Rusland door, maar al spoedig werd dit onmogelijk gemaakt. In 1937 werd hij in het Pjatakov-showproces ter dood veroordeeld, waarna Stalins agenten de jacht op hem verscherpten. Na verblijven in Turkije, Frankrijk en Noorwegen vertrok Trotski naar Mexico, waar hij asiel verkreeg, maar ten slotte vermoord werd door Ramón Mercader.