W czasie rewolucji lutowej został członkiem Komitetu Tymczasowego Dumy, a także krótkotrwale wiceprzewodniczącym Piotrogrodzkiej Rady Delegatów Robotniczych i Żołnierskich i członkiem jej Komitetu WykonawczegoPoczątkowo wiceprzewodniczący Rady, gdy Komitet Wykonawczy odmówił zgody na jego wejście w skład Rządu Tymczasowego, odwołał się do plenum Rady, gdzie otrzymał poparcie przez aklamację. Po objęciu urzędu ministra zrezygnował z funkcji wiceprzewodniczącego Rady, pozostając jednak członkiem jej Komitetu Wykonawczego. Richard Pipes, Rewolucja Rosyjska Warszawa 1994; Wyd. PWN; , s. 240–241.. Od marca 1917 powrócił oficjalnie do Partii Socjalistów-Rewolucjonistów i stał się jednym z jej liderów.

W Rządzie Tymczasowym księcia Gieorgija Lwowa zajmował stanowiska ministra sprawiedliwości (16 marca – 1 maja) i ministra wojny i morskiego (od 5 maja, otrzymał stanowisko po tzw. kryzysie kwietniowym). 20 lipca 1917 zastąpił Lwowa na stanowisku premiera Rządu Tymczasowego Rosji, a we wrześniu (po tzw. „puczu Korniłowa”) stanął na czele armii rosyjskiej z tytułem Naczelnego Wodza. Jako dyktator okazał się niezdecydowany, a wprowadzony program kontynuacji wojny okazał się nierealny (ofensywa Kiereńskiego).