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11月5日（10月23日）夜，临时政府孤注一掷，决定先发制人，下令逮捕布尔什维克党和苏维埃军事革命委员会的领导人。11月6日（10月24日）晨，士官生部队奉克伦斯基之命，袭击了布尔什维克党机关报《工人之路报》和中央军事组织的《士兵报》的印刷厂。上午，彼得格勒城内交通中断，苏维埃所在地斯莫尔尼宫的电话线也被切断。克伦斯基在获得预备国会的同意后，下令调动武装，准备进攻斯莫尔尼宫。
布尔什维克党中央立即召开紧急会议，作出回击反革命进攻、开始武装起义的部署。苏维埃军事革命委员会随即发布“第一号命令”，起义计划正式启动。列宁当时隐匿在维堡区（工人区），通过联络员与党中央及斯莫尔尼宫保持联系，对起义的进程进行指导。在第一线直接指挥起义行动的是托洛茨基、斯维尔德洛夫、捷尔任斯基等党中央领导成员。
起义进展迅速。上午10时，《工人之路报》印刷厂已被夺回，与此同时，革命武装占领了涅瓦河上曾被士官生关闭的9座桥梁，控制了维堡区与斯莫尔尼宫之间的交通要道。参加起义的“阿芙乐尔”号巡洋舰驶入涅瓦河，停泊在面向冬宫（临时政府所在地）的尼古拉耶夫桥畔。
下午5时，起义者转入全面进攻，先后占领中央电报局和电报通讯社，控制了电讯枢纽。
当夜11时，列宁离开匿居地，在拉海亚护送下，步行前往起义指挥部——斯莫尔尼宫，直接加入领导起义的行列。
到11月7日（10月25日）上午，起义者已占领了塔夫利达宫、邮政总局、电话总局、火车站、发电站、国家银行等重要目标，彼得格勒大部分地区已被起义者控制。临时政府总理克伦斯基以争取援兵为由坐美国大使馆的汽车逃离首都，其余部长们龟缩在冬宫，在士官生保护下苟延残喘。
下午6时，起义者团团包围了冬宫，开始向临时政府的最后据点发起进攻。当临时政府的部长们两次拒绝苏维埃军事革命委员会勒令他们投降的最后通牒后，晚9时45分，“阿芙乐尔”巡洋舰鸣响了冲击冬宫的炮声，起义者冲向冬宫。经过一场短兵相接的战斗，到次日凌晨2时10分，冬宫被完全占领，临时政府的部长们束手就擒。至此，彼得格勒武装起义取得了最后胜利。由于这次起义是在革命力量远远超过反革命力量的态势下展开的，所以没有造成严重的流血。
当晚10时45分，即冲击冬宫的行动尚在进行之际，全俄工兵代表苏维埃第二次代表大会在斯莫尔尼宫开幕。出席会议的670名代表中，布尔什维克占390名，左派社会革命党人为160名，孟什维克和右派社会革命党人只占少数，因此，大会主席团基本上由布尔什维克和左派社会革命党人组成。在这种情况下，孟什维克和右派社会革命党人中的约70名代表宣布退出大会。
11月8日（10月26日）凌晨3时10分，大会接到攻占冬宫的报告，顿时，全场欢声雷动。晨5时，大会通过了列宁起草的《告工人、士兵和农民书》，正式宣布：临时政府已被推翻，全国政权转归苏维埃。
在当晚举行的代表大会第二次会议上，列宁以执政党领袖的身份，做了关于和平问题和土地问题的报告，并宣读了《和平法令》与《土地法令》。
《和平法令》向一切交战国政府和人民建议，立即缔结停战协定，并谈判缔结公正的和约，以“终止这场战争”。
《土地法令》规定：立刻废除地主土地私有制，无偿没收地主的田庄以及一切皇族、寺院和教会的土地，交由乡土地委员会和县农民代表苏维埃支配，土地改革的最后决定将由立宪会议作出，改革的原则应当是：土地私有权永远废除，“一切土地……成为全民财产并交给耕种土地的劳动者使用”。
大会通过上述两个法令后，选举产生了新的国家政权机构——全俄苏维埃中央执行委员会和人民委员会（苏维埃政府）。苏维埃中央执委会由101名成员组成，其中62名为布尔什维克、29名为左派社会革命党人，加米涅夫当选为执委会主席，列宁当选为人民委员会主席，托洛茨基任外交人民委员，斯大林任民族事务人民委员，安东诺夫-奥弗申柯（1884—1939）、克雷连柯（1885—1938）和德宾科（1889—1938）任陆海军人民委员。11月9日（10月27日）清晨，全俄苏维埃第二次代表大会闭幕。这次大会把十月武装起义的胜利成果转化为政权形式，由此，开始了世界上第一个社会主义国家的历史进程。
逃离彼得格勒的克伦斯基不甘心失去政权，他在前线驻军中纠集了一支哥萨克部队，向彼得格勒反扑。与此同时，孟什维克和社会革命党人控制的全俄铁路总工会执行委员会也向新政权发出挑战，他们以通电形式呼吁建立“社会主义者的联合政府”，并要求将布尔什维克领导人列宁和托洛茨基排斥于政府之外。面对反革命力量的进攻和反布尔什维克势力的挑战，苏维埃政府采取了坚决的措施予以反击。工人赤卫队和革命士兵被组织起来，投入保卫首都的战斗。11月13日，革命武装在普尔科沃与反革命军队展开激战，经过一天的战斗，击溃了哥萨克部队，挫败了克伦斯基的军事叛乱。
稳定军事形势后，布尔什维克党和苏维埃政府同孟什维克和社会革命党人就政权组织问题展开斗争。当时，加米涅夫等部分布尔什维克领导人试图与全俄铁总执委会妥协，同意改组政府。但此举遭到列宁等多数党中央委员的反对，11月15日，布尔什维克党中央委员会通过《关于中央内部反对派问题的决议》，否决了加米涅夫等人的主张，接着，布尔什维克党中央又发表宣言，明确宣布：“俄国除了苏维埃政府以外，决不应当有别的政府。”随后，加米涅夫被解除全俄苏维埃中央执委会主席职务，由斯维尔德洛夫接任。12月2日，布尔什维克党组织召开全俄铁路员工代表大会，改组了铁总执委会。至此，围绕着政权问题的这场斗争以布尔什维克的胜利而告结束。同一天，设在莫吉廖夫的俄军前线大本营发生卫戍部队起义，革命士兵逮捕并打死了俄军最高总司令杜鹤宁，这一最高军职由苏维埃政府派遣的克雷连柯接任。这样，布尔什维克和苏维埃政府控制了军队的最高指挥权。
在彼得格勒巩固革命政权的同时，革命浪潮向全国推进。11月15日（11月2日），莫斯科武装起义取得胜利。随后，全国各地纷纷建立起苏维埃政权，各地政权的苏维埃化，标志着十月革命在全俄范围内取得了决定性胜利。
十月革命的胜利是俄国历史和世界历史上一个具有重大意义和深远影响的事件。导致这场革命的客观根据是俄国现代化进程的内在矛盾与帝国主义战争所酿成的危机和革命形势，就此而言，可以把它看作是1905年革命和1917年二月革命的继续，一个持续的革命过程的顶峰。但是，这场革命的具体内涵和实际结果又强烈地表现出列宁和布尔什维克党的历史主动性，在俄国社会选择发展方向的十字路口，他们把社会主义的选择融会到俄国人民的革命诉求中，并且取得了群众的信任和拥护。在这个意义上，列宁主义是十月革命不可缺少的主观动力，也因此而赋予十月革命以不同于1905年革命和1917年二月革命的性质。
列宁主义指导下的十月革命决定性地改变了俄国现代化的发展道路，并在人类社会的现代化进程中开创了非资本主义的发展模式。以俄国十月革命为起点的社会主义实践虽然没有如其发动者的愿望引爆西方发达国家的无产阶级革命，但却在东方落后国家中产生了巨大影响。俄国自身的社会主义现代化及其影响下的世界社会主义运动，给20世纪的历史留下了深刻的烙印。