25 июля 1917 года под давлением Церкви вместо Львова обер-прокурором Святейшего синода назначается Карташев. В этом качестве, а также как представитель кадетской партии он вошел в состав третьего состава Временного правительства. Новый премьер правительства А. Ф. Керенский так описывал в своих мемуарах причины назначения Карташева: «Когда я стал премьер-министром, я не просил Владимира Львова остаться в составе кабинета. В августе должен был состояться Вселенский церковный собор, которому надлежало рассмотреть новый статус самостоятельности Русской православной церкви. Это требовало от прокурора особого такта и деликатности, а также глубокого знания истории Церкви. Нам казалось, что на такой пост более подходит видный член Петербургской академии А. В. Карташев, который и получил это назначение. А Владимир Львов долгое время держал на меня зуб за, как он выразился, „отстранение“ его от деятельности по лечению Русской православной церкви от паралича, который поразил ее еще в те времена, когда Петр Великий упразднил патриаршество и провозгласил себя главой церкви».
Представляется, что реальные причины смены обер-прокурора были несколько иными. Одна из них состояла в том, что Карташев стоял за патриаршество, а Львов – против. Среди аргументов в пользу патриаршества было широко распространенное мнение, что Церкви, особенно в те Смутные времена, требуется сильное личностное начало – патриаршая власть в сочетании с соборными институтами, которые имели бы достаточно широкие прерогативы и проводили волю Церкви как единого целого.
Другая немаловажная причина заключалась в том, что Карташев был масоном, причем весьма влиятельным. Время его вступления в организацию вольных каменщиков точно не установлено, но известно, что к 1916 году он уже был одним из руководителей столичных масонов. К примеру, когда летом 1916 года состоялся последний масонский конвент в России, Антон Владимирович был одним из одиннадцати делегатов от столицы.
Как известно, масоны для реализации своих решений создавали различные ложи, число которых в период расцвета дореволюционного масонства достигало сорока двух. Только в Петербурге действовало не менее десятка лож. Карташев входил в три столичные ложи – Литературную, ложу Мережковского и ложу Верховного Совета Великого Востока народов России. Руководящим органом русского масонства являлся выборный Верховный Совет (он также работал как ложа). Накануне Февральской революции в число руководящих деятелей Верховного Совета входили А. И. Коновалов, А. Ф. Керенский, Н. В. Некрасов, А. В. Карташев, Н. Д. Соколов и А. Я. Гальперн. По словам Александра Яковлевича Гальперна, в дни Февральской революции «мы все время были вместе, по каждому вопросу обменивались мнениями и сговаривались о поведении». В этом заключается одна из причин, почему А.В. Карташев, едва вступив в кадетскую партию, сразу стал членом ее ЦК. Сразу после формирования Временного правительства масоны еще не могли поставить Карташева обер-прокурором, так как кандидатура Львова была согласована думской оппозицией еще в 1915 году. Но в июле 1917 года, когда влияние Керенского усилилось, он смог без особого труда заменить Львова на Карташева.
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 1 миллион рублей на расходы по проведению Собора.