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Em 23 de outubro de 1917, o Soviete de Petrogrado, liderado por Trotsky, votou a favor de uma revolta militar. A 6 de Novembro, o governo fechou vários jornais e fechou a cidade de Petrogrado numa tentativa de impedir a revolução; eclodiram pequenas escaramuças armadas. No dia seguinte, uma revolta em grande escala eclodiu quando uma frota de marinheiros bolcheviques entrou no porto e dezenas de milhares de soldados se levantaram em apoio aos bolcheviques. As forças da Guarda Vermelha Bolchevique sob o comando do Comitê Militar Revolucionário começaram a ocupar edifícios do governo em 7 de novembro de 1917. Um ataque final contra o Palácio de Inverno – contra 3.000 cadetes, oficiais, cossacos e mulheres soldados – não encontrou resistência vigorosa. Os bolcheviques atrasaram o ataque porque não conseguiram encontrar artilharia em funcionamento. Às 18h15, um grande grupo de cadetes de artilharia abandonou o palácio, levando consigo a sua artilharia. Às 20h00, 200 cossacos deixaram o palácio e regressaram aos seus quartéis.
Enquanto o gabinete do governo provisório dentro do palácio debatia que medidas tomar, os bolcheviques emitiram um ultimato para a rendição. Trabalhadores e soldados ocuparam a última estação telegráfica, cortando as comunicações do gabinete com as forças militares leais fora da cidade. À medida que a noite avançava, multidões de insurgentes cercaram o palácio e muitos se infiltraram nele. Às 21h45, o cruzador Aurora disparou um tiro certeiro do porto. Alguns dos revolucionários entraram no palácio às 22h25 e houve uma entrada em massa 3 horas depois. Às 2h10 do dia 26 de outubro, as forças bolcheviques ganharam o controle. Os cadetes e os 140 voluntários do Batalhão de Mulheres se renderam em vez de resistir à força de ataque de 40.000 homens. Após tiroteios esporádicos em todo o edifício, o gabinete do Governo Provisório rendeu-se e foi preso na Fortaleza de Pedro e Paulo. O único membro que não foi preso foi o próprio Kerensky, que já havia deixado o palácio. Com o Soviete de Petrogrado agora no controle do governo, da guarnição e do proletariado, o Segundo Congresso dos Sovietes de Toda a Rússia realizou a sua sessão de abertura no dia, enquanto Trotsky demitiu os mencheviques oponentes e os Socialistas Revolucionários (SR) do Congresso.