Кадетская партия стремилась расширить и свое влияние в провинции. Многие члены ЦК отвечали за тот или другой регион. А. В. Карташеву досталась Вологодская губерния. Он установил связи с вологодскими кадетами, неоднократно приезжал в Вологду с лекциями по религиозным и национальным вопросам. Постановлением IX съезда Конституционно-демократической партии Карташев был включен в список головных кандидатов партии на выборах в Учредительное собрание. В конце сентября 1917 года в Вологде состоялся общегубернский съезд кадетской партии с целью определить список кандидатов от партии в Учредительное собрание. «На почве взаимного доверия, – писала местная кадетская пресса, – был составлен и утвержден список кандидатов из десяти человек». Первым в списке стоял Карташев. Остальные – вологодские кадеты из различных городов губернии. Во время выборов в Учредительное собрание в ноябре 1917 года в Вологде за кадетский список проголосовало 5973 человека, что составило 37,9% от всех принявших участие в голосовании (больше, чем за любую другую политическую партию). Кадеты одержали победу и в других городах губернии, однако большинство крестьянского населения проголосовало за эсеров, и ни один кадет в Учредительное собрание от Вологодской губернии не прошел.
К 1917 году Антон Владимирович уже являлся признанным религиозным мыслителем. Поэтому неудивительно, что его политическая деятельность была тесно связана прежде всего с церковными проблемами. До революции многие священники были недовольны существующим состоянием дел, считая, что абсолютная власть Святейшего синода не соответствует церковному канону, так как нарушает принцип соборности и подчиняет духовное светской власти. По мнению большинства иерархов, Церковью должен управлять не Синод, а выборный Поместный собор. Епископы также рекомендовали отменить должность обер-прокурора Святейшего синода как носителя светского господства. В целом церковные иерархи тяготели к переходу от самодержавия к соборности как основному структурному принципу православного общества.
В дни Февральской революции Святейший синод, как и все общество, охватили антимонархические настроения, что выразилось в отказе поддержать рухнувшую монархию и в одобрении передачи вопроса о власти на усмотрение Учредительного собрания. Октябрист Владимир Николаевич Львов был назначен Временным правительством новым обер-прокурором, распустил старый Синод и сформировал новый. Львов стремился привлечь в Синод новых авторитетных деятелей, и, по настоятельному совету многих депутатов IV Государственной думы, 25 марта 1917 года А. В. Карташев был назначен товарищем обер-прокурора Святейшего синода.
Антон Владимирович развил в Синоде бурную деятельность. Он осознавал необходимость церковных преобразований и изменения отношений между Церковью и государством. Он явился одним из инициаторов восстановления патриаршества в России и созыва в Москве Всероссийского поместного собора Русской православной церкви. Временное правительство с этими предложениями согласилось. 29 апреля Синод выпускает обращение к Церкви восстановить древний православный принцип выборности епископата и учреждает Предсоборный совет для подготовки Поместного собора.
Предсоборный совет духовенства и мирян приступил к делу 12 июня 1917 года. На нем выявились две противостоящие друг другу точки зрения на будущую форму церковного управления. Первая исходила из идеи полного отделения Церкви от государства и принятия синодально-соборной структуры церковного управления. Представители другой точки зрения (которую разделял и Карташев) не подвергали сомнению самый принцип отделения Церкви от государства, но одновременно стояли за то, чтобы за православием, как за церковью национальной, оставался особый статус «первой среди равных». Церковь, по их мнению, столь органически срослась с народом, его культурой и государственностью, что ее уже и невозможно оторвать от общественного организма – национального государства. Немаловажным был и вопрос о патриаршестве. Многие члены Совета считали, что патриаршество противоречит соборности, а значит, его не следует восстанавливать. Эту идею поддерживал и В. Н. Львов. Карташев выступал за восстановление патриаршества и упразднение должности обер-прокурора. Основной принцип Карташева состоял в том, чтобы «под эгидой Временного правительства и с его помощью Русская православная церковь вернула себе присущее ей по природе право самоуправления по каноническим нормам».