Vì những thất bại trên chiến trường cộng với sự biểu tình của nhân dân, chính phủ do Lvov đứng đầu bị lật đổ và Kerensky lên làm thủ tướng vào ngày 20 tháng 7 năm 1917 (lịch Nga). Khi đó, tướng Kornilov được giai cấp tư sản và bảo hoàng trong nước ủng hộ, lại nhận được sự hỗ trợ từ Anh và Pháp âm mưu lật đổ chính phủ Kerensky và thiết lập chế độ độc tài quân sự. Do đó, Kerensky đã phải cầu cứu sự giúp đỡ của Đảng Bolshevik và sau đó cuộc nổi loạn bị dập tan vào tháng 8 năm 1917.

Đến đầu tháng 10 thì không khí cách mạng đã sôi sục khắp thủ đô Petrograd. Trước tình hình đó, Kerensky đã rút những đơn vị quân đội đặc biệt như các trung đoàn Cossack sông Đông, các sĩ quan học sinh, tiểu đoàn nữ xung kích đến canh gác chung quanh những vị trí quan trọng nhất. Khi Cách mạng Tháng Mười nổ ra vào ngày 6 tháng 11 (24 tháng 10), sáng ngày 7 tháng 11, Kerensky đã lợi dụng xe của Đại sứ quán Hoa Kỳ để trốn thoát. Sau đó, toàn bộ chính phủ lâm thời bị bắt trừ Kerensky.

Sau khi bỏ chạy khỏi Petrograd đến mặt trận phía Bắc, Kerensky đã sử dụng lực lượng Bạch vệ để tiến đánh chiếm lại Petrograd nhưng đã bị đội cận vệ đỏ đánh tan vào ngày 13 tháng 11 1919. Kerensky nhờ giả làm phụ nữ nên lần nữa trốn thoát.