Большевистская верхушка оказалась не готова к радикализму своего вождя. Принимается решение сжечь ленинские письма с требованиями приступить к подготовке восстания, утаить их содержание. Лишь И. В. Сталин предложил письма не сжигать, а разослать их в наиболее крупные партийные организации, с тем чтобы организовать широкий партийный плебисцит, услышать мнение партийных масс, но поддержки у большинства членов ЦК не нашёл. Впрочем, предопределить результаты обсуждения ленинских писем на местах было не сложно – рядовые партийцы часто были настроены более по-боевому, чем верхи партии. Но постепенно и ЦК РСДРП(б) начинает ощутимо сдвигаться влево, ужесточает свою позицию по отношению к Временному правительству и соглашательским партиям. Первоначально пойдя на уступки умеренным социалистам и поддержав работу Демократического совещания, большевики впоследствии демонстративно покидают Предпарламент. Практическим центром подготовки восстания становятся Петросовет и действующий при нём Военно-революционный комитет, созданный на базе Комитета народной борьбы с контрреволюцией времён корниловщины.
Взятие власти было приурочено ко II Всероссийскому съезду Советов рабочих и солдатских депутатов. Окончательное решение о вооружённом восстании большевистским ЦК принимается на его заседании 10 октября 1917 года. Вскоре, 16 октября, на расширенном заседании ЦК РСДРП(б) был создан партийный центр по руководству восстанием, выполнявший роль своеобразного коллективного комиссара при Петроградском ВРК.
Однако на заключительном этапе подготовки переворота среди верхушки большевиков вновь возникли разногласия. Наиболее категорически разошлись с позицией Ленина Каменев и Зиновьев. В газете М. Горького «Новая жизнь» 18 октября ими было опубликовано важное заявление. Формально в нём опровергались слухи о подготовке большевиками восстания. Но фактически опровержение давалось в такой форме, что ни у кого никаких иллюзий в подлинном смысле заявления не оставалось. Одновременно Каменев и Зиновьев распространили письмо партийным организациям, где разъясняли опасность планов восстания. Они предлагали дождаться Учредительного собрания. В нём, полагали Каменев и Зиновьев, большевики получат не менее четверти, а то и треть мест, что позволит им стать влиятельной парламентской оппозицией. Поведение своих соратников Ленин воспринял как предательство. Он поставил вопрос перед ЦК об исключении отступников из партии. Но Сталин и другие члены ЦК не поддержали Ленина. Зиновьев и Каменев сохранили свои посты в руководстве партии. Неизменным остался и курс на вооружённый захват власти.
Помимо Каменева и Зиновьева, особую позицию занял Троцкий. Он предлагал не начинать восстания до съезда, а отложить вооружённое выступление до принятия II съездом Советов решения о переходе власти в руки Советов. Своё мнение Троцкий обосновывал тем, что свержение Временного правительства, санкционированное съездом Советов, будет иметь большую законность и поддержку в обществе. Ленин, наоборот, настаивал, что восстание должно произойти до съезда. По его мысли, съезд необходимо было поставить перед свершившимся фактом, чтобы не позволить правым социалистам затянуть его работу, а правительству перебросить в город верные ему воинские части. Очевидно, в разногласиях между Лениным и Троцким имелся элемент и личного соперничества. Троцкий в тот момент возглавлял Петросовет, непосредственно руководил подготовкой и ходом восстания. Если бы власть к Советам перешла от имени съезда, он становился естественным претендентом номер один на пост главы правительства. Но если революционная власть формировалась бы от имени партии, возглавившей революцию, то во главе правительства должен был бы оказаться вождь этой партии. Возможно, этим хотя бы отчасти и объясняется неожиданное для соратников появление Ленина в Смольном накануне восстания, которое переломило ситуацию. В партии под личным влиянием вождя временно притихли разногласия и активизировались усилия по взятию власти.
Тщательная подготовка большевиками захвата власти позволила им создать в столице решающий перевес сил. Временное правительство оказалось гораздо более беспомощным, чем оценивал Ленин. В этом смысле говорить о вооружённом восстании в Петрограде 25–26 октября можно с известной долей условности. В ответ на опрометчивую попытку Керенского силами юнкеров и женского ударного батальона нанести 24 октября превентивный удар по большевикам, революционные части гарнизона и отряды красной гвардии начинают последовательно занимать вокзалы, телеграф, телефон, мосты, а в ночь на 26 октября – Зимний Дворец, где работало Временное правительство.