В 1904 году заболел и выехал за границу. Поступил на химический факультет Бернского университета, однако прервал учёбу для участия в революционных событиях 1905 года в России. Вернувшись в Россию, был избран членом Петербургского комитета РСДРП. Из-за новых приступов болезни вновь вернулся в Берн, поступив на этот раз на юридический факультет. Некоторое время спустя в марте 1906 года снова находился в Петербурге. На V Лондонском съезде партии избран в состав ЦК (получил больше всех голосов после Ленина). Стал одним из редакторов подпольно издававшихся газет «Социал-демократ» и «Вперёд». В 1908 году был арестован, но через три месяца освобожден из-за болезни, после чего вновь эмигрировал – совместно с Лениным выехал на территорию австрийской Галиции.
3 апреля 1917 года Григорий Зиновьев возвратился в Россию вместе с Лениным в пломбированном вагоне, который проследовал по территории Германии, воюющей с Россией в ходе Первой мировой войны. Он был в числе приближённых к Ленину большевиков.
В ночь с 3 на 4 апреля Ленин на собрании большевиков огласил свой план перерастания буржуазно-демократической революции (Февральской) в социалистическую. На следующий день Зиновьев в числе некоторых революционеров выступил против оглашённых Лениным «Апрельских тезисов», явившихся программой действий большевиков в дооктябрьский период. Они констатировали окончание буржуазно-демократического этапа и определяли курс на перерастание революции в социалистическую. Эти тезисы стали идеологической базой для деятельности большевиков и после захвата власти и обоснованием их диктатуры в стране. Многие борцы, в том числе и среди большевиков, были не готовы к такому радикальному решению вопроса. Но Ленин чувствовал исторический момент и не хотел упускать время. На 6 Всероссийской (Апрельской) конференции РСДРП(б) (24–29 апреля), тезисы были приняты и легли в основу политики всей партии.
Троцкий описывал Зиновьева следующим образом: «В агитационном вихре того периода, большое место занимал Зиновьев, оратор исключительной силы. Его высокий теноровый голос в первый момент удивлял, а затем подкупал своеобразной музыкальностью. Зиновьев был прирожденный агитатор…»
После неудачных выступлений против Временного правительства 3–4 июля 1917 года в Петрограде согласно приказу Временного правительства, аресту подлежали Ленин, Луначарский, Зиновьев, Коллонтай, Козловский, Суменсон, Семашко, Парвус, Ганецкий, Раскольников, Рошаль. Зиновьев скрывался от преследований Временного правительства в Разливе вместе с Лениным.
23 октября 1917 года состоялось закрытое заседание большевистского ЦК, на котором было принято решение о курсе на немедленное вооруженное восстание с целью захвата власти. Зиновьев совместно с Каменевым проголосовал против свержения Временного правительства в ходе восстания, считая его преждевременным. Зиновьев и Каменев опубликовали свое несогласие с большинством членов ЦК в меньшевистской газете «Новая жизнь». Тем самым они раскрыли тайные планы партии, и Временное правительство фактически было предупреждено о грядущем вооруженном восстании в столице. Ленин считал эти действия Зиновьева и Каменева предательскими. Руководством большевистской партии ставился вопрос об исключении их из партии, но ограничились запретом выступать от имени ЦК.
Вскоре после захвата власти в Петрограде большевиками и левыми эсерами Всероссийский исполнительный комитет железнодорожников потребовал формирования из партий эсеров, меньшевиков и большевиков однородного социалистического правительства без участия в нём лидеров революции Ленина и Троцкого. Зиновьев, Каменев, Ногин и Рыков согласились с позицией комитета железнодорожников, объясняя это потребностью в объединении всех социалистических сил для противостояния угрозе контрреволюции. Провал наступления на Петроград Керенского-Краснова позволил Ленину и Троцкому сохранить свое правительство. 4 ноября Зиновьев, Каменев, Рыков, Ногин и Милютин подали заявления о выходе из состава ЦК. Ленин назвал их «дезертирами».
13 декабря 1917 года Зиновьева избрали председателем Петроградского Совета. В период Брестских переговоров Зиновьев был единственным членом ЦК, выступавшим за немедленное подписание мира, полагая, что оттягивание только ухудшит его условия. В марте 1919 года после основания Коммунистического интернационала Зиновьев стал председателем его Исполкома. Именовался «вождём Коминтерна». Сотрудница Коминтерна А. Куусинен в своей книге вспоминает: «Личность Зиновьева особого уважения не вызывала, люди из ближайшего окружения его не любили. Он был честолюбив, хитер, с людьми груб и неотесан… Это был легкомысленный женолюб, он был уверен, что неотразим. К подчиненным был излишне требователен, с начальством – подхалим». Во время председательства в Исполкоме Коминтерна поощрял фракционные склоки и первый ввёл термин «социал-фашизм» по отношению к социал-демократическим партиям Западной Европы.