1914年6月28日，塞爾維亞青年普林西波刺殺了奧匈帝國的皇太子。這一事件對於尋找發動戰爭借口的帝國主義者來說，是個千載難逢的機會。7月28日，奧匈帝國在德帝國的慫恿下向塞爾維亞宣戰，首先進攻貝爾格萊德。8月1日，德國向俄國宣戰，第三天又向法國宣戰。8月5日，德軍進攻比利時，英國以此為由向德國宣戰。接著，奧匈帝國向俄國宣戰，英國向奧國宣戰，於是，第一次世界大戰爆發了。
大戰剛一爆發，第二國際中的機會主義領袖們就公開投入資產階級的懷抱，他們鼓吹“保衛祖國”，要求工人階級同本國統治階級合作。但是，各國社會民主黨左派仍堅持正確的原則，拒絕與本國資產階級政府合作，譴責帝國主義戰爭。以列寧為首的俄國布爾什維克從大戰一開始就采取堅定的無產階級國際主義立場，明確提出“變現時的帝國主義戰爭為國內戰爭是唯一正確的無產階級口號。”而且，列寧進一步指出，無產階級應該“使本國政府在帝國主義戰爭中失敗。”列寧在《戰爭和俄國社會民主黨》一文中指出：“從國際無產階級的觀點看，在現時情況下，不能肯定交戰國雙方哪一方失敗對社會主義危害最小。但是，對於我們俄國社會主義黨人來說，毫無疑問，從俄國各民族的工人階級和勞動群眾的觀點來看，要是壓迫歐亞兩洲的民族和人口最多的、最反動、最野蠻的沙皇專製政府失敗，那危害是最小的了。”
然而，托洛茨基卻提出了“不勝不敗”的主張，他在《軍事潰敗和政治前途》一文中認為，假使一方失敗，意味著獲勝方得到鞏固，這對革命沒有好處。就失敗方而言，由於社會生活的渙散，工人階級的組織也將更加渙散。因此，“俄國失敗——禍害較小”的口號在理論預見和意義上講是個猜測性的口號，在鼓動的意義上講是全然無用的。托洛茨基提出的口號是“不勝不敗”，要“為和平而鬥爭”。顯然，這是一個空洞的口號。
不論怎樣，托洛茨基是堅決反對帝國主義戰爭的，拒絕支持沙皇。1915年在瑞士參加反戰社會主義者國際會議。因鼓動反戰，於1916年被逐出法國。後赴西班牙，又被逐。1917年1月抵紐約，與布哈林合編俄文報《新世界》，繼續宣揚反戰思想。
第一次世界大戰加劇了俄國國內的社會矛盾，1917年2月，彼得堡工人舉行罷工，並由此引發了二月革命，許多城市都建立了蘇維埃政權。
二月革命時期，托洛茨基遠居美國，他密切注意二月革命事態的發展動向，他“以美國報刊上貧乏的消息為依據，給革命發展作出分析與預斷。”1917年5月，托洛茨基回到彼得堡，在政治立場上轉向布爾什維克，表示接受列寧的主張，加入布爾什維克，成為彼得堡革命運動的具體指揮人員之一。
1917年7月3日（俄曆），彼得堡的士兵和工人群眾舉行反對資產階級臨時政府的示威遊行。7月4日，托洛茨基發表演講，深信“全部政權歸蘇維埃”的口號必定勝利。7月5日，資產階級臨時政府開始了鎮壓活動，托洛茨基被捕。
托洛茨基被捕後不久，布爾什維克召開了第六次代表大會，托洛茨基被缺席選為中央委員，僅比列寧少得兩票。
9月初，托洛茨基出獄，當選為彼得堡蘇維埃主席，10月，他被選為黨中央政治局委員，並擔任彼得堡蘇維埃革命軍事委員會主席，協助列寧準備和指揮十月武裝起義。10月24日，起義開始發動；25日，起義部隊攻打冬宮，托洛茨基在彼得堡工兵代表蘇維埃舉行的特別會議上，代表革命軍事委員會宣布：“臨時政府不存在了！”