1918年3月，苏维埃政府成立了最高军事委员会，托洛茨基任主席。实际上，他成了苏联红军的总司令。
为了应付帝国主义武装干涉的危险，托洛茨基在列宁的指示下，立即着手建立一支拥有150万人的红军，并提出根据统一编制来组建部队以及逐步扩建部队的办法。由于无产阶级军事专家的缺乏，托洛茨基让熟谙军事的旧军队专家参加红军的建设，让他们在红军中担任各种职务。这种措施对于保卫苏维埃共和国是有益的。
随着英、法等帝国主义国家对苏维埃俄国武装干涉的开始和红军建设的加速进行，托洛茨基的主要活动转移到军事战线上，被赋予很大的军权。这一方面说明列宁和布尔什维克党对他的信任；另一方面，托洛茨基在十月革命中领导过彼得堡苏维埃军事革命委员会，确实表现出卓越的军事才能和组织才能。
1918年7月，苏维埃政权的东部防线形势恶化。伏尔加河流域以及乌拉尔地区的白卫分子和捷克斯洛伐克军团协同作战，向红军大举进攻，同时，当地富农也不断发动反革命叛乱，一些军事重镇相继失守。喀山失守之后，敌人定会向伏尔加河沿岸的另一重要城市，即高尔基的故乡新城进攻，新城至莫斯科，是一条畅通无阻的大道，易攻难守，这必将危及首都莫斯科的安全。所以，前线的形势是十分紧急的。托洛茨基临危受命，亲赴伏尔加河前线。
当时，刚组建起来的一些红军部队缺乏训练和思想教育，作战经验不足，战斗力不强。有些队伍一遇到敌人，就擅自撤离火线，有些指挥员不战而逃，其中还有不少军官直接叛变投敌。托洛茨基认为，在前线形势十分紧急的情况下，单靠宣传教育和思想工作，不能很快转变部队的思想情绪，而且形势也不允许人们用大量时间去做部队的说服教育工作，因此必须采取一些严厉措施。
所以，托洛茨基来到伏尔加河前线后，便以最高军事委员会主席身分发布了这样一道命令：“我提出警告，倘若有未得到命令而撤退的任何部队，首先枪毙该部队的政治委员，然后枪毙该部队的指挥员。他们的职务将指定勇敢顽强的军人来担负。懦夫、逃兵和叛变者将被正法，毫不宽容。这是我对全体红军许下的严正诺言。”托洛茨基并且下令枪毙了一位团长和一位政委，因为他们带领部下擅自撤离阵地，劫持红军参谋部人员的汽船，妄图逃跑。托洛茨基亲临前线以及他的严厉举措，对于扭转东线战局发挥了作用，不久，红军部队重新夺回喀山。
1918年8月30日，列宁在莫斯科遭枪击，生命垂危，托洛茨基奉召回到莫斯科。9月10日，苏维埃俄国被宣布为统一的军营，以加强革命政权，并成立了以托洛茨基为主席的共和国革命军事委员会。以后，直至1920年，托洛茨基在建设红军和指挥作战方面发挥了积极作用。即使在1924年斯大林同托洛茨基论战时还说：“我决不否认托洛茨基在国内战争中的重要作用。”
1920年，国内战争基本结束，托洛茨基在工会问题上与列宁争执，受到批评。此后，他在党内和苏维埃政府中的威望下降。1921年俄共（布）第十次代表大会后，托洛茨基围绕着如何对待党内民主问题挑起争论，与斯大林的矛盾开始表面化。1924年1月俄共（布）第十三次代表大会对争论作出总结，指出托洛茨基“具有十分明显的小资产阶级倾向。”1924年列宁逝世后，托洛茨基写了《论列宁》、《十月的教训》，在歌颂列宁的同时，不恰当地夸大自己的功劳。1925年1月，俄国（布）中央全会通过《关于托洛茨基问题的决议》，苏联中央执行委员会主席团决定解除托洛茨基革命军事委员会主席的职务。5月，出任租让委员会主席，后任电务技术管理局局长和工业科学院院长。
1926年4月，托洛茨基与季诺维也夫等人，围绕着工业化道路能否建成社会主义问题对斯大林提出批评。托洛茨基坚持其“不断革命论”，认为在俄国这样一个农民占绝对多数的落后国家，无产阶级政权在国内面临与资产阶级、农民的矛盾，在国外面临与资本主义国家的矛盾。这些矛盾只有在无产阶级世界革命的舞台上才能解决，社会主义不可能首先在一国内建成。全党经过辩论，99%的党员赞成以斯大林为首的中央路线，支持托洛茨基派的仅有4000人。1927年10月，托洛茨基等人利用十月革命十周年之际，在莫斯科等地组织街头游行。游行者高呼“托洛茨基万岁”等口号，把矛头指向斯大林。为此，托洛茨基于1927年11月被开除出党，1928年被流放到阿拉木图，1929年2月被驱逐出境，1932年被取消苏联国籍。
从此，托洛茨基再一次开始了流亡生活。
