1917年2月にロシアで二月革命が勃発し、臨時政府が成立すると、レーニンはドイツ政府との協定によって封印列車でペトログラードに戻り『四月テーゼ』を公表。二月革命をブルジョア革命と規定し、プロレタリアートと貧農への権力移行を主張した。7月に兵士たちの武装デモが鎮圧され、ボリシェヴィキに対する弾圧が強まったためフィンランドへ逃れたが、その後8月に右派のラーヴル・コルニーロフ将軍の反乱が起こると臨時政府の側に立った。反乱との闘争を通じてボリシェヴィキが支持を急速に拡大し、ソビエトで多数派を占めることができたため、即時武装蜂起を主張。ボリシェヴィキ内部の慎重派を押し切って十月革命を実現させた。
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彼が十月革命の直前に書き、革命直後に出版したのが『国家と革命』である。国家を階級支配の機関とみる国家観に立ち、議会選挙を通じた平和的な権力移行を否定し、既存の国家機構は奪取するだけでなく粉砕しなければならない、と主張して暴力革命論を復権させた。
権力の奪取
10月革命でペトログラードの群集を前に演説するレーニン1917年11月7日、レーニンはペトログラード労働者・兵士代表ソヴィエト軍事革命委員会の名で声明を発表し、「臨時政府は打倒された。国家権力は、ペトログラード労働者・兵士代表ソヴィエトの機関−ペトログラードのプロレタリアートおよび守備隊の先頭に立つ軍事革命委員会−の手にうつった」と宣言した。翌日、全ロシア労働者・兵士代表ソヴィエト第二回大会において「平和についての布告」を発表し、第一次世界大戦の全ての交戦国に無併合・無賠償の講和を提議。同時に「土地についての布告」で地主の土地の没収を発表した。同大会では臨時政府として人民委員会議が設立され、レーニンは初代人民委員会議議長に選ばれた。
一方、ソヴィエト政府は政権発足と同時にブルジョア新聞を閉鎖し、12月20日には秘密警察として反革命・投機・サボタージュ取締り非常委員会(全露非常委員会・БЧК チェーカー)を創設して反政府派の弾圧を始めた。翌年1月19日にはボリシェヴィキ自身が開催を求めていたはずの憲法制定会議を開会直後に解散させた。
ブレスト・リトフスク条約
無併合・無賠償の講和は全ての交戦国に拒否されたが、ドイツとの講和交渉が1917年12月に始まり、ドイツは広範な領土の併合と多額の賠償金を要求した。レーニンはこの要求を受け入れることを主張した。ニコライ・ブハーリンのような強硬派のボリシェヴィキ指導者はドイツで革命を誘発する手段として戦争の継続を主張した。講和交渉を担当したレフ・トロツキーは中間の立場に立った。講和交渉の決裂後ドイツがロシア国内に侵入を始め、ソヴィエト政府は国土の西部地域の多くを失った。その結果レーニンの主張は多くの支持を得、最終的に不利な条件で1918年3月にブレスト・リトフスク条約に署名することとなった。しかしこの結果、当時ボリシェヴィキと連立政権を組んでいた社会革命党左派（左翼エスエル）は政権から離脱し、同年7月6日、駐露ドイツ大使ヴィルヘルム・ミルバッハ伯爵暗殺を皮切りに反ボリシェヴィキ蜂起を起こす。
戦争から手を引いたソヴィエト政権は首都をモスクワに遷都、ボリシェヴィキはその名をロシア共産党と改め、7月に開催した第5回全ロシア・ソヴィエト会議においてソヴィエト憲法を制定。左翼エスエル蜂起を受け共産党以外の政党を禁止した。
暗殺未遂事件
1918年8月30日、レーニンが会合での演説を終え自動車に乗ろうとしたとき、3発の銃声と共にレーニンは倒れた。そのうちの二発が彼の肩と肺に命中した。レーニンは自分のアパートへ運ばれ、他の暗殺者の存在を恐れ病院への搬送を拒絶した。医者が呼び出されたが銃弾の摘出は危険すぎたので手術は行われなかった。レーニンの容態はどうにか回復したものの、その健康状態はこのときから傾き始めた模様で、この暗殺未遂による負傷が、死因となった脳梗塞に大きく影響したと考えられている。
なお、この時現場にいたエスエル党員ファーニャ・カプランが逮捕され、即決裁判の後処刑されたが、彼女は既に失明同然だったことなどから、犯人は別人だった可能性が高い。いずれにしても、この事件はミルバッハ暗殺と合わせて右翼エスエルを弾圧する口実ともなった。
また、「報復」と称して事件とは無関係の512人もの旧貴族や政治家、軍人が、ただ帝政派であるという理由だけで逮捕、処刑された(→赤色テロ)。
コミンテルンの創設
第二インターナショナルは加盟する社会民主主義政党が第一次世界大戦においてそれぞれ自国政府を支持したために瓦解した。再建も試みられたが、ボリシェヴィキは独自に1919年にコミンテルンを創設した。レーニンは社会民主主義政党とのどんな協力も拒否する共産主義政党を「『左翼』小児病」と呼んで批判するとともに、社会民主主義政党が旧来のイデオロギーを捨てずにコミンテルンに加盟しようとする動きを警戒してコミンテルンの加入条件を厳格化した。また、1920年のコミンテルン第二回大会に対して「民族・植民地問題に関するテーゼ」を執筆し、従属民族や植民地の解放と共産主義革命の結合を図った。
戦時共産主義からネップへ
革命後の列強による干渉戦争や内戦により、ボリシェヴィキ政権は戦時体制を強いられた（戦時共産主義）。企業は国有化され、農民からは余剰穀物が徴発された。内戦終了後、レーニンは新経済政策（ネップ）と呼ばれる新しい政策を打ちだした。余剰穀物の徴発に代えて食糧税を導入し、税を納めた後の残りは市場で自由に処分することを認めた。一定の範囲内で私的商業も認めた。レーニンはこれを労農同盟の再建として解説する一方、ロシアの現状では資本主義も一歩前進だと主張した。
正教会弾圧
レーニンは少年時代には既に、権力と癒着し腐敗していたロシア正教会に幻滅、そして自身がマルクス主義的無神論者であった事もあり正教会を反革命の温床とし、資産を強引に供出させたりしていたが、1922年3月にイヴァノヴォ州シューヤで教会財産接収に反対するデモが暴徒化し、死者が出たことに激怒。3月29日にロシア正教会の弾圧を指示し、多数の主教達を虐殺すると共におびただしい財宝などを没収させた。レーニンは後に｢宗教は毒酒である｣と言葉を残している。
これ以降グラスノスチまでイコンを所持する事などは禁止された。同様の弾圧はイスラム教のモスクなどでも起こり、チェーカーによる聖職者の虐殺、教会資産の没収が強行された。
ソ連邦の形成とグルジア問題
レーニンは1921年末から健康状態を悪化させ、1922年には何度か発作を起こして職務から離れた。その間、各ソヴィエト共和国をどのように構成するかが問題となり、とりわけグルジアをめぐって党内に対立が起こっていた。1921年2月にグルジア社会主義ソヴィエト共和国が成立して以来、ロシア共産党中央委員会カフカース局がグルジアをアゼルバイジャン・アルメニアとともにザカフカーズ連邦として構成しようとする計画を進めたのに対し、グルジア共産党がグルジアの独立性を主張して抵抗していた。
1922年8月、スターリンは、各ソヴィエト共和国が自治共和国としてロシア連邦共和国に加入する、という「自治化」案を作成した。レーニンはこれを大ロシア排外主義として批判し、ロシア連邦共和国は他の共和国とともにソヴィエト同盟に加入する、という代案を出した。スターリンはレーニンの「民族自由主義」に不満を述べたが、修正案を受け入れ、同年10月のロシア共産党中央委員会総会ではレーニンの代案にそった決議を通過させた。
しかしこの決議ではグルジアはザカフカーズ連邦を通じてソヴィエト同盟に加入することになっていたため、グルジア共産党は拒否し、中央委員会のメンバーが総辞職した。11月にはロシア共産党のオルジョニキーゼが独立派のグルジア共産党員を殴るという事件が起こる。病床にあったレーニンはこれを重大なことと受け止め、オルジョニキーゼやその後ろだてとなっていたスターリンを非難した。12月31日に口述筆記された覚え書きで、彼は「抑圧民族、すなわち、いわゆる『強大』民族にとっての国際主義とは、諸民族の形式的平等をまもるだけでなく、生活のうちに現実に生じている不平等にたいする抑圧民族、大民族のつぐないとなるような、不平等をしのぶことでなければならない」と記した。
この問題をきっかけにレーニンとスターリンの関係は極度に悪化し、レーニンは翌1923年1月4日の覚え書きでスターリンの書記長職からの解任を提案するに至った。3月5日にはトロツキーにグルジア問題への取り組みを依頼し、3月6日にグルジアの反対派に向けて「あなたがたのために覚え書きと演説を準備中です」という手紙を口述した。しかし3月10日、彼は発作に襲われ、会話能力を永久に失った。
死去
生前最後に撮られた写真（1923年夏）レーニンは暗殺の試み、戦争と革命の激務によって次第に健康を害していき、1922年5月に最初の発作を起こした。彼の右半身が麻痺した事で政権内における影響力は縮小し、12月の2度目の発作の後に病状が急速に悪化し発狂が疑われたため、政治局は彼に静養を命じた。モスクワ郊外のゴルキー（現在のゴルキー・レーニンスキエ）の別荘で静養生活に入ったレーニンを診察するために、オトフリート・フェルスターらの著名な脳医学者が高額の報酬で雇われ、鎮静剤として臭化カリウムなどが投与された。レーニンは、症状が軽いうちは口述筆記で政治局への指示などを伝えることができたが、彼の政治的要求はほとんどが無視された。妻をめぐる諍いから、スターリンを非難する文書（いわゆる『レーニンの遺書』）を書いた直後の1923年3月に3度目の発作が起きるとレーニンはもはや話すことも出来ず、ほとんど廃人状態となり、1924年1月21日に4度目の発作を起こし死去した。
レーニンの死因は公式には大脳の動脈硬化症、あるいは脳梗塞とされている。しかし、彼を診察した27人の内科医のうち検死報告書に署名をしたのは8人だった。この事は梅毒罹患説の根拠となったが、実際は署名をしなかった医師は単に他の死因を主張しただけであって、結局この種の説を唱えた医師は一名のみだった（動脈硬化がアテローム性だという事を除いては）。実際、レーニンの父イリヤ、姉アンナ（1864年 - 1935年）、弟ドミートリー（1874年 - 1943年）はいずれも脳出血により死去している。レーニンの脳の解剖所見でも大脳動脈の石灰化が認められ、左脳は萎縮してほとんど崩れかけていた。
ペトログラードはレーニンにちなみ、住民の反対を押し切ってレニングラードと改名された。また、生地のシンビルスクも彼の本名にちなんでウリヤノフスクと改名された。レニングラードは1991年のソ連崩壊時に元（第一次世界大戦前）の名、サンクトペテルブルクに戻された。但し、同市のある州の名前はレニングラード州のままである。
レーニンの遺体は、死後ほどなく保存処理され、モスクワのレーニン廟に現在も永久展示されている。その遺体保存手段については長らく不明のままで、「剥製である」という説や「蝋人形ではないか」という説も語られていた。ソ連崩壊後、1930年代から1950年代にレーニンの遺体管理に携わった経験のある科学者イリヤ・ズバルスキーが自身の著作で公表したところによれば、実際には臓器等を摘出の上、ホルムアルデヒド溶液を主成分とする「バルサム液」なる防腐剤を浸透させたもので、1年半に1回の割で遺体をバルサム液漬けにするメンテナンスで現在まで遺体を保存しているという。メンテナンスをしている様子はこちら[1]（実際に処理している画像なので注意が必要）。
なおロシア政府はエリツィンのころより、遺体を埋葬しようと何度も計画しているが、そのつど国内の猛反対にあい撤回されている。ロシア人にとっては良くも悪くも近代ロシアの父と見る節があり、また根強い共産党及びソビエト政権への支持層からの反対が大きく、クレムリンの壁と霊廟に「強いロシア」のイメージを重ねる者も多い。
レーニンの死のエピソードとして語られている逸話に、レーニンがスターリンを呼び出し、「声が出なくなってまで生きたくないから毒を持ってくるように」と頼んだというものがある。この話はのちにトロツキーが1923年3月のこととして著述しているが、レーニンの秘書の回想では1922年のことで、レーニンの妹が反対したともいう。いずれにしても真偽は不明である。
評価
旧ソ連各地に残されている銅像レーニンは革命後の進歩的政策や晩年ヨシフ・スターリンの手法に批判的であったことなどにより、一般的に批判はスターリンに対するものより少ない。しかし、レーニンが残した膨大な政治命令書が、ソ連末期のグラスノスチと共に徐々に公開され、その活動の研究が文書にもとづいて批判的に行うことが可能となった[1]。
それによると彼は秘密警察による政敵や、政策に抵抗すると看做した人々（白軍、旧貴族・地主、旧資産家、自営農家、コサック、その他ソ連領内の少数民族等）の虐殺、皇位継承権を持たない皇后や大公妃、大公女などの女性皇族や幼い皇太子・皇女を含む24人ものロマノフ王家一族と何人かの従者の皆殺しを行った事が判明してきており、規模は違えどスターリンの政策と共通点があることなどから、レーニンの行動そのものがスターリニズムを生む下地であったという指摘がなされている。
また、彼自身を含めてボリシェヴィキ幹部の高級別荘建設や特別列車の敷設といった共産党員の赤色貴族化の発端はレーニン自身の行動にあるのではないかという研究もある。ドミトリー・ヴォルコゴーノフはレーニンを『大量殺人犯』と非難し、ロマノフ一族の虐殺が裁判をしなかった事がきっかけで粛清が起きるようになったと批判した。ヴャチェスラフ・モロトフはレーニンについては晩年のインタビューで｢スターリンよりも厳格だった｣、｢スターリンを『軟弱だ』と叱責したこともあった｣など、貴重な証言を残した。
戦時下といえど、秘密警察による粛清は裁判も罪状も無しにほぼ無制限に行われ（スターリン政権下でも行われた形式的裁判も、白軍司令官（ウンゲルン＝シテインベルクなど）を除いてこの時代はほとんど開かれず）、強制的な食料調達により深刻な飢餓を招いたことは急進的革命の行き過ぎだったという批判もある。