Проте 21 жовтня гарнізон перейшов па сторону 11 ВРК. Останній тут же звернувся до населення з відозвою, яка попереджала, що без підпису ПВРК ніяка директива гарнізону не буде дійсна. Корейський в ультимативній формі зажадав від ПВРК скасування цього документу. Почалася проба сил. Вранці 24 жовтня Керенський наказав закрити друкарню більшовиків. Вони захопили її знову. Для розробки плану дій у Смольному зібрався ЦК більшовиків. У повстанні повинні були злитися два самостійних потоки: державний переворот, організований ПВРК від імені Петроградської Ради, щоб захистити революцію, і пролетарське повстання під керівництвом Військово-революційного центру. Видимість двох етапів операції - оборонного («захистити з'їзд Рад віддій уряду та його Виконкому з есеро-меншовистською більшістю») і наступального (пов'язаного з діяльністю Леніна, який вийшов 25 жовтня з підпілля) - повинна була бути витримана до кінця.
Увечері 24 жовтня Червона гвардія і кілька військових частин, діючи від імені Петроради, захопили, не зустрівши опору, невські мости і стратегічні центри (пошта, телеграф, вокзали). За кілька годин усе місто перейшло під контроль повсталих. Тільки Зимовий палац, де засідав Тимчасовий уряд, був не зайнятий. Керенський марно намагався встановити контакт із штабом. Там не цілком усвідомлювали характер подій і не поспішали надати допомогу переможцю Корнилова. Вранці 25 жовтня Керенський відправився за підкріпленням. Не дожидаючись відправки ультиматуму уряду, з ініціативи Леніна була опублікована о 10-й годині ранку відозва ПВРК, в якій говорилося, що уряд позбавлений влади і що влада перейшла в руки ПВРК. Ця заява до взяття влади 11 з'їздом Рад являла собою справжній державний переворот. У першому варіанті відозви ПВРК Ленін писав: «ПВРК скликає сьогодні на 12.00 Петроградську Раду. Вживаються невідкладні заходи для встановлення радянської влади». Зміна симптоматична. Відчуваючи недовіру до «революційного легалізму» Петроградської Ради, тобто Троцького, до «угодівницького духу» своїх товаришів із ЦК, яких він підозрював у готовності увійти в переговори з іншими соціалістичними силами, Ленін хотів зосередити всю повноту влади в руках органу, створеного в процесі повстання, органу, який ні в чому не залежав би від з'їзду Рад. Цей крок робив неминучим ще до відкриття IIз'їзду Рад розрив між Леніним та іншими революційними організаціями, які вважали себе в праві претендувати на частку нового авторитету і нової влади.
У другій половині дня 25 жовтня Ленін, з'явившись уперше після червня перед народом, заявив па сесії Петроградської Ради: «Робітнича і селянська революція, про необхідність якої весь час говорили більшовики, здійснилася. Пригноблена маса сама створить владу. У корені буде розбитий старий державний апарат і буде створений повий апарат управління в особі радянських організацій.
Відтепер наступає нова смуга в історії Росії, і дана, третя російська революція повинна в своєму кінцевому результаті привести до перемоги соціалізму». «Але ви зумовлюєте волю з'їзду Рад», - заперечив хтось. «Ні, - відповів Троцький, - саме робітники і солдати, повставши, зумовили волю з'їзду».
Однак перемога більшовиків залишалася неповною, оскільки в Зимовому палаці ще засідав Тимчасовий уряд. У половині сьомого вечора він отримав ультиматум ПВРК, який давав йому 20 хвилин на прийняття рішення про капітуляцію. Насправді ж штурм Зимового палацу стався пізніше, вночі, після того, як крейсер «Аврора» зробив кілька холостих пострілів у бік палацу. О другій годині ранку Антонов-Овсієнко від імені ПВРК арештував членів Тимчасового уряду. Бої, в яких взяли участь з того і з іншого боку не більше кількох сотень чоловік, завершилися з мінімальними втратами (6 убитих серед оборонців, жодного серед нападників).
За кілька годин до падіння Зимового палацу, у 22,40, відкрився 11 Всеросійський з'їзд Рад. Засудивши «військову змову, організовану за спиною Рад», меншовики покинули з'їзд, за ними - есери і бундівці. їх відхід прирік на поразку Мартова та його прихильників, які шукали компромісу і пропонували створити уряд, в якому були б представлені соціалістичні партії і всі демократичні груші. Троцький поіронізував над цією пропозицією: «Народ пішовза нами, ми отримали перемогу, а тепер нам кажуть: відмовтеся від вашої перемоги, зробіть поступки, прийміть компроміс. З ким, я вас питаю'' 3 незрозумілими групами, що нас залишили, а тепер роблять нам пропозиції? Ми їм говоримо: ви - нікчемності і потерпіли крах. Ваша роль закінчена, йдіть же туди, куди вам призначено: на звалище історії». Цей виступ прискорив відхід Мартова та його прихильників із з'їзду. Тоді з ініціативи Троцького з'їзд (на якому залишалися тільки більшовики і ліві есери) прийняв наступну резолюцію: «II з'їзд констатує, що відхід меншовиків та есерів є злочинною і відчайдушною спробою позбавити ці збори чинності в той самий момент, коли маса старається захистити революцію від наступу контрреволюції».
Трохи пізніше з'їзд проголосував за резолюцію, складену Леніним, яка передавала «всю владу Радам». Ця резолюція була чистою формальністю, адже насправді влада знаходилася в руках партії більшовиків, але вона узаконювала результати повстання і дозволяла більшовикам правити від імені народу, оскільки інші партії, за винятком лівих есерів, покинули з'їзд. Потім були зачитані і схвалені декрети про мир і про землю - перші акти нового режиму.