Накануне и в дни Октябрьской революции Дзержинский был в центре событий. 10 октября 1917 г. участвовал в заседании ЦК РСДРП(б), принявшем решение о вооруженном восстании и образовавшем по его предложению Политбюро из семи человек во главе с В.И. Лениным. Затем вошел в состав Военно-революционного комитета (ВРК), созданного по указанию ЦК при Петроградском совете рабочих и солдатских депутатов. При ВРК имелись: штаб, бюро комиссаров, отделы вооружения, снабжения и продовольствия, печати и другие. Дзержинскому кроме других важных участков было поручено усилить охрану Смольного – штаба революции и его связь со всеми районами города и Центробалтом.
На расширенном заседании ЦК РСДРП(б) избран Военно-революционный центр по руководству восстанием из пяти человек: А.С. Бубнова, Ф.Э. Дзержинского, Я.М. Свердлова, И.В. Сталина и М.С. Урицкого27. Центр вошел в состав ВРК и стал его руководящим партийным органом.
В.И. Ленин, находясь на нелегальном положении, руководил работой ЦК с 15 октября из конспиративной квартиры на Сердобольской улице. При встрече с Дзержинским он интересовался положением в городе и на периферии, в частях столичного гарнизона, в редакции газеты «Солдат». Причем интересовался, где и какие части дислоцируются, о наличии и численности в них партийных организаций, кто руководит солдатскими комитетами. Прямо от Ленина Дзержинский отправился в Смольный, где во второй половине дня состоялось закрытое заседание Петроградского комитета РСДРП(б) с представителями всех районов города. В своем выступлении Дзержинский убедительно защищал необходимость вооруженного восстания.
С 19 октября в ВРК установлено круглосуточное дежурство, обеспечена постоянная связь с районными советами, воинскими частями, боевыми кораблями Балтийского флота и крупными заводами. Дзержинский работал круглые сутки, почти без сна и отдыха, лично подбирал, инструктировал и направлял комиссаров на места, где они принимали непосредственное участие в приведении в полную боевую готовность воинских частей и кораблей, следил за выпуском и распределением военной продукции, вводил жесткие лимиты отпуска боеприпасов. С этой целью ВРК запретил заводскому комитету Петроградского патронного завода выдавать боеприпасы без визы одного из трех членов ВРК – Дзержинского, Лазимира и Антонова-Овсеенко.