1902年底，托洛茨基來到倫敦，受到列寧及其夫人的熱情接待，列寧還親自帶他觀光了倫敦的一些重要建築物和名勝古跡。列寧很賞識托洛茨基的才幹。便讓他參加了普列漢諾夫等人主編的《火星報》的工作。
《火星報》創刊於1900年，是列寧領導下的一份宣傳馬克思義的報刊。托洛茨基最初為《火星報》寫些短小評論，進而寫篇幅較長的政治文章，後來還寫過社論。列寧認為托洛茨基的不少文章“文筆帶有雜文腔，而且過於花哨”，不過，頗為自負的托洛茨基承認自己“偏愛那種華麗的文體，也不願意接受別人的修改”。
1903年7月，俄國社會民主黨在布魯塞爾召開第二次代表大會。大會就黨綱問題展開了激烈的辯論。列寧認為：“凡承認黨綱，在物質上幫助黨並親自參加黨的一個組織的人，都可以作為黨員”。很清楚，列寧是把工人階級政黨看成是一個有著嚴密組織的整體，而不是一個來去自由的俱樂部和咖啡館。而馬爾托夫等人則認為：“凡承認黨綱，在物質上幫助黨並在黨的一個組織領導下經常親自協助黨的人，都可以作為俄國社會民主工黨黨員。”馬爾托夫沒有提及“參加黨的一個組織。”依照這種觀點，凡是一切樂意加入黨的人都可以成為黨員，不必參加黨的一個組織。馬爾托夫心目中的工人階級政黨，實際上是一個組織渙散的群眾團體。在這場激烈的辯論中，托洛茨基支持馬爾托夫，成為少數派（孟什維克），與以列寧為首的多數派（布爾什維克）相對立。但是，托洛茨基與少數派的觀點又並不完全一致，因此，他在1904年4月發表聲明，表示脫離孟什維克派。
1905年1月9日，俄國彼得堡許多工人攜帶家屬前往冬富，向沙皇和平請願。沙皇尼古拉二世下令預先布置好的軍警向工人群眾開槍射擊，1000多人被打死，2000多人受傷，造成了俄國曆史上的大慘劇。這個事件發生後，僑居國外的一些俄國社會民主黨人，其中包括托洛茨基，陸續回國參加革命。
1905年10月，托洛茨基從芬蘭返回彼得堡，並被選為彼得堡蘇維埃主席。他負責編輯了《俄羅斯報》、《開端報》、《工人代表蘇維埃消息報》，使得彼得堡的形勢對俄國全境產生了重大影響，受到列寧的密切關注。
沙皇政府對托洛茨基的頻繁活動保持了高度的警覺。1905年12月3日晚，托洛茨基在蘇維埃議會大廳被捕，從此開始了他的第二輪監獄生涯。
沙皇專製政府由於受到1905年革命風暴的衝擊，準備召開第一屆國家杜馬，對於在押政治犯的管理有所放鬆，托洛茨基正是利用這一機會，在彼得堡獄中寫下了《總結與展望》，提出了他一生活動的理論基礎——不斷革命論。托洛茨基的不斷革命論包括三個相互聯係的不斷革命思想：第一，民主革命必須立即轉變為社會主義革命，即從民主革命過渡到社會主義革命的不斷性；第二，社會主義革命不斷性，即在國內引起內戰，在國外引起革命戰爭；第三，社會主義革命的國際性和國際革命的不斷性。
不斷革命論雖反映了一種熱切的革命情緒和願望，但也有其自身的致命弱點。它抹殺了民主革命和社會主義革命的區別，忽視了廣大農民的積極性，認定社會主義不可能首先在一國或數國內取得勝利。因此，列寧對托洛茨基的不斷革命論是持批評態度的。
1907年1月，托洛茨基第二次被流放在西伯利亞，這次的流放地是位於北極圈內的一個偏僻小村。結果，托洛茨基在押解途中逃脫了。2月下旬，他來到芬蘭。同年4月，他取道瑞典首都斯德哥爾摩來到英國，出席了俄國社會民主工黨第五次代表大會，這是布爾什維克與孟什維克在一起召開的最後一次代表大會。在大會上，托洛茨基以“中派”的麵目出現，庇護孟什維克，攻擊布爾什維克，與列寧發生激烈的爭執。
1908年10月，為了宣揚自己的“中派”立場和不斷革命論，托洛茨基辦了一份用俄文出版的報紙——《真理報》。該報每兩個月出版一次，至1912年5月停刊。托洛茨基宣稱自己的《真理報》是麵向廣大工人群眾的，是“工人報紙”，說這份報紙置身於兩派之外，並力圖表現“統一黨的趨勢……從創辦時起就給自己規定了幾項任務，即闡明鬥爭的迫切需要，同不管處在何種崗位上的先進工人建立起政治聯係，從而克服黨內分裂或派別的現象”。
托洛茨基在《真理報》上繼續宣傳他的不斷革命論。與他同時代的人曾回憶說，托洛茨基在他的《真理報》上“繼續堅持與他不懈地宣傳俄國革命是‘不斷革命’的思想，斷言革命一旦開始，在全世界推翻資本主義和建立起社會主義製度以前，革命是不會結束的。布爾什維克和孟什維克兩派都嘲笑他，罵他是浪漫主義，犯下彌天大罪。但是他還是固執己見，對別人的攻擊無動於衷。”