1918年3月，蘇維埃政府成立了最高軍事委員會，托洛茨基任主席。實際上，他成了蘇聯紅軍的總司令。
為了應付帝國主義武裝幹涉的危險，托洛茨基在列寧的指示下，立即著手建立一支擁有150萬人的紅軍，並提出根據統一編製來組建部隊以及逐步擴建部隊的辦法。由於無產階級軍事專家的缺乏，托洛茨基讓熟諳軍事的舊軍隊專家參加紅軍的建設，讓他們在紅軍中擔任各種職務。這種措施對於保衛蘇維埃共和國是有益的。
隨著英、法等帝國主義國家對蘇維埃俄國武裝幹涉的開始和紅軍建設的加速進行，托洛茨基的主要活動轉移到軍事戰線上，被賦予很大的軍權。這一方麵說明列寧和布爾什維克黨對他的信任；另一方麵，托洛茨基在十月革命中領導過彼得堡蘇維埃軍事革命委員會，確實表現出卓越的軍事才能和組織才能。
1918年7月，蘇維埃政權的東部防線形勢惡化。伏爾加河流域以及烏拉爾地區的白衛分子和捷克斯洛伐克軍團協同作戰，向紅軍大舉進攻，同時，當地富農也不斷發動反革命叛亂，一些軍事重鎮相繼失守。喀山失守之後，敵人定會向伏爾加河沿岸的另一重要城市，即高爾基的故鄉新城進攻，新城至莫斯科，是一條暢通無阻的大道，易攻難守，這必將危及首都莫斯科的安全。所以，前線的形勢是十分緊急的。托洛茨基臨危受命，親赴伏爾加河前線。
當時，剛組建起來的一些紅軍部隊缺乏訓練和思想教育，作戰經驗不足，戰鬥力不強。有些隊伍一遇到敵人，就擅自撤離火線，有些指揮員不戰而逃，其中還有不少軍官直接叛變投敵。托洛茨基認為，在前線形勢十分緊急的情況下，單靠宣傳教育和思想工作，不能很快轉變部隊的思想情緒，而且形勢也不允許人們用大量時間去做部隊的說服教育工作，因此必須采取一些嚴厲措施。
所以，托洛茨基來到伏爾加河前線後，便以最高軍事委員會主席身分發布了這樣一道命令：“我提出警告，倘若有未得到命令而撤退的任何部隊，首先槍斃該部隊的政治委員，然後槍斃該部隊的指揮員。他們的職務將指定勇敢頑強的軍人來擔負。懦夫、逃兵和叛變者將被正法，毫不寬容。這是我對全體紅軍許下的嚴正諾言。”托洛茨基並且下令槍斃了一位團長和一位政委，因為他們帶領部下擅自撤離陣地，劫持紅軍參謀部人員的汽船，妄圖逃跑。托洛茨基親臨前線以及他的嚴厲舉措，對於扭轉東線戰局發揮了作用，不久，紅軍部隊重新奪回喀山。
1918年8月30日，列寧在莫斯科遭槍擊，生命垂危，托洛茨基奉召回到莫斯科。9月10日，蘇維埃俄國被宣布為統一的軍營，以加強革命政權，並成立了以托洛茨基為主席的共和國革命軍事委員會。以後，直至1920年，托洛茨基在建設紅軍和指揮作戰方麵發揮了積極作用。即使在1924年斯大林同托洛茨基論戰時還說：“我決不否認托洛茨基在國內戰爭中的重要作用。”
1920年，國內戰爭基本結束，托洛茨基在工會問題上與列寧爭執，受到批評。此後，他在黨內和蘇維埃政府中的威望下降。1921年俄共（布）第十次代表大會後，托洛茨基圍繞著如何對待黨內民主問題挑起爭論，與斯大林的矛盾開始表麵化。1924年1月俄共（布）第十三次代表大會對爭論作出總結，指出托洛茨基“具有十分明顯的小資產階級傾向。”1924年列寧逝世後，托洛茨基寫了《論列寧》、《十月的教訓》，在歌頌列寧的同時，不恰當地誇大自己的功勞。1925年1月，俄國（布）中央全會通過《關於托洛茨基問題的決議》，蘇聯中央執行委員會主席團決定解除托洛茨基革命軍事委員會主席的職務。5月，出任租讓委員會主席，後任電務技術管理局局長和工業科學院院長。
1926年4月，托洛茨基與季諾維也夫等人，圍繞著工業化道路能否建成社會主義問題對斯大林提出批評。托洛茨基堅持其“不斷革命論”，認為在俄國這樣一個農民占絕對多數的落後國家，無產階級政權在國內麵臨與資產階級、農民的矛盾，在國外麵臨與資本主義國家的矛盾。這些矛盾隻有在無產階級世界革命的舞台上才能解決，社會主義不可能首先在一國內建成。全黨經過辯論，99%的黨員讚成以斯大林為首的中央路線，支持托洛茨基派的僅有4000人。1927年10月，托洛茨基等人利用十月革命十周年之際，在莫斯科等地組織街頭遊行。遊行者高呼“托洛茨基萬歲”等口號，把矛頭指向斯大林。為此，托洛茨基於1927年11月被開除出黨，1928年被流放到阿拉木圖，1929年2月被驅逐出境，1932年被取消蘇聯國籍。
從此，托洛茨基再一次開始了流亡生活。