В связи с тем что после открытия Поместного собора Церковь должна была выйти из подчинения правительству, 5 августа пост обер-прокурора был отменен, а Карташев назначен первым министром вероисповеданий в новообразованном министерстве. Временное правительство фактически признало положение Православной церкви в стране как «первой среди равных». Это было отражено в определении обязательной принадлежности министра к Православной церкви, как самого министра, так и двух его первых заместителей – по Православной церкви и по всем другим исповеданиям, имеющимся в стране. Права и функции нового министерства предстояло уточнить на основании решений Поместного собора.
15 августа 1917 года, в праздник Успения Пресвятой Богородицы, в Москве открылся первый полноправный Поместный собор за 217 лет. От Временного правительства на открытии присутствовали Керенский и Карташев. 16 августа 1917 года Антон Владимирович от имени правительства приветствовал открывшийся Собор. Он зачитал написанное им обращение к Собору, которое открывалось такими словами: «Временное правительство поручило мне заявить Освещенному собору, что оно гордо сознанием видеть открытие сего церковного торжества под его сенью и защитой. То, чего не могла дать Русской национальной Церкви власть старого порядка, с легкостью и радостью представляет новое правительство, обязанное насадить и укрепить в России истинную свободу». Как министр по делам вероисповеданий, Карташев заявил, что контроль министерства над Церковью будет минимальным, а также сообщил, что Временное правительство ассигновало миллион рублей на расходы по проведению Собора.
В глазах общественного мнения Карташев стал как бы одним из символов Поместного собора. О. Мандельштам посвятил ему одно из своих стихотворений той поры («Среди священников левитом молодым…»). Впечатления же самого А.В. Карташева о Соборе были далеко не лучшие. Так, в августе 1917 года на заседании ЦК кадетской партии он говорил: «Проявления Собора бледны и вялы, отдают большим провинциализмом. Мирян две трети, что вызывает общий ропот. Епископы молчат. Главным вопросом пока был: как реагировать на разруху в армии? Руководимый учеными-богословами, Собор, по-видимому, не примет резких решений и ложных шагов… Но всероссийского сознания даже в это исключительное время в Соборе не чуется, и кажется, что если бы его выступления были правее и ошибочнее, но искреннее, все же было бы лучше». Политическая борьба в Петрограде, участие в деятельности Временного правительства не дали возможности Карташеву принять активное участие в работе Собора – все основные решения принимались без него.
В конце июля 1917 года А.В. Карташев становится членом Временного правительства и по мере сил старается влиять на его политику. 12–15 августа в Москве состоялось Государственное совещание, созванное Временным правительством «ввиду исключительных переживаемых событий и в целях единения государственной власти со всеми организованными силами страны». Временное правительство надеялось с помощью совещания укрепить свое положение. А.В. Карташев участвовал в совещании в качестве члена правительства. Он внимательно наблюдал за происходящим и на заседании ЦК кадетской партии 20 августа 1917 года высказал свое мнение: «На этом совещании вся нация в лице ее политических и общественных групп совершенно обнажилась и получилась какая-то государственная достоевщина. Каждая группа, пытаясь себя оправдать и выяснить свое поведение, старалась показать все заключавшиеся в ней возможности, и все увидели впервые наглядно весь предел этих возможностей… Правительство проявило государственную гамлетовщину, абсолютную неспособность к действиям, вытекающую из какой-то анархической теории власти… Государственная власть добросовестно реагирует на все совершающееся, но сама в собрание ничего не вкладывает и держит все в оцепенении. Все партии в совещании проявили также добродетели, но ждали, что кто-то придет и спаяет всех в общем движении. Сделать это должна была власть, но власть была только регистратором… До сих пор в лечении всех государственных болезней власть применяла только методы терапии, а когда их оказалось недостаточно, она новых путей не искала… в результате в стране начинается распад, так как страна не получила от власти ответа на свои вопросы и требования. В войске идет распад, проявляются рабские и бунтовские инстинкты. То же и везде, и мы загниваем на корню».