Делегат Vl-го съезда РСДРП (апрель 1906), введен в состав ЦК партии (июль 1906), представлял польских социал-демократов в военно-революционной организации РСДРП. Работал в Петербурге (июль – сентябрь 1906), затем снова в Варшаве, где был арестован и заключен в варшавскую следственную тюрьму «Павиак» (декабрь 1906 – июнь 1907), освобожден под залог. В это время на V-м съезде РСДРП (май 1907) заочно избран членом ЦК РСДРП. В апреле 1908 г. вновь арестован и помещен в X-й павильон Варшавской цитадели, по приговорам Варшавской судебной палаты (1909) лишен прав состояния и осужден на пожизненное поселение в Сибири (в Енисейской губернии), куда отправлен в августе 1909, а спустя три месяца бежал из ссылки. В марте 1910 г. вернулся в Краков и продолжил свою там деятельность в качестве секретаря и казначея Главного правления партии. Затем ведет работу в Варшаве, Ченстохове и Домбровском угольном бассейне. Вновь арестован в Варшаве (сентябрь 1912), приговорен (апрель 1914) к 3 годам каторжных работ, а позднее (март 1914) еще к 6 годам каторги. Освобожден 1 марта 1917 г. после Февральской революции.
Вел активную подготовку Октябрьской революции, организовывал отряды Красной Гвардии в Москве. 10 (23) октября 1917 участвовал в заседании ЦК РСДРП(б), принявшем решение о вооруженном захвате власти, введен в состав Военно-революционного центра партии, который занимался организацией переворота в составе Петроградского ВРК, введен в состав исполкома Петроградского Совета (21 октября). В начале Октябрьской революции (25 октября) контролировал работу почты и телеграфа, руководил захватом Главного телеграфа. Участвовал в работе II-го Всероссийского съезда советов (25–27.10.1917), избран членом ВЦИК и Президиума ВЦИК. Как член Исполнительной комиссии Петроградского ВРК участвовал во многих событиях того времени.
6 (19) декабря 1917 года Совнарком, обсуждая вопрос «О возможности забастовки служащих в правительственных учреждениях во всероссийском масштабе», поручил Дзержинскому «составить особую комиссию для выяснения возможностей борьбы с такой забастовкой путем самых энергичных революционных мер», и уже на следующий день на заседании СНК он сделал доклад «Об организации и составе комиссии по борьбе с саботажем», – с одобрения СНК была образована Всероссийская чрезвычайная комиссия по борьбе с контрреволюцией и саботажем, Дзержинский был назначен ее председателем и оставался им до ее преобразования в ГПУ в феврале 1922 года.