Der Krieg verschärfte die politischen und sozialen Probleme Russlands dramatisch. Mit zunehmender Kriegsdauer und angesichts der enormen Verluste nahmen die Unruhen und Proteste zu. Sie gipfelten 1917 in der Februarrevolution, der Zar musste abdanken. Die neue bürgerliche Provisorische Regierung teilte ihre Macht mit den sozialistischen Arbeiter- und Soldatenräten. Sie setzte den Krieg an der Seite der Verbündeten Russlands fort. Nach erfolgreichen Offensiven der Mittelmächte wurde die russische Front im Sommer 1917 jedoch auf 200 Kilometern Breite schwer erschüttert, die russischen Einheiten zogen sich über 100 Kilometer bis zum Sereth zurück. Damit hatten die Mittelmächte fast ganz Ostgalizien und die Bukowina zurückerobert. Deutlich zeigten sich nun die Auflösungserscheinungen der russischen Armee. Desertionen und Aufstände machten eine wirksame Verteidigung der russischen Frontlinie unmöglich. Die Regierung verlor die Unterstützung der kriegsmüden Bevölkerung, anhaltende Versorgungsprobleme schürten die revolutionäre Stimmung. Die Oktoberrevolution brachte Wladimir I. Lenin und seine Anhänger an die Macht. Im Dezember 1917 schied Russland aus dem Krieg aus, schon vorher war es an der Front zu Verbrüderungsszenen zwischen Russen und Deutschen gekommen.
Nach der Oktoberrevolution drängte die bolschewistische Regierung unter Lenin auf einen Friedensschluss, um die innere Stabilität Russlands zu erhalten. Nach einem öffentlichen Friedensangebot am 28. November 1917 erklärte Reichskanzler Georg Graf von Hertling die deutsche Bereitschaft zu Friedensverhandlungen. Daraufhin begannen am 3. Dezember im russischen Brest-Litowsk (heute: Brest, Weißrußland) die Gespräche über einen Waffenstillstand, der am 15. Dezember 1917 unterzeichnet wurde. Die Oberste Heeresleitung (OHL) sah mit dem Waffenstillstand im Osten die Chance, den Krieg im Westen noch zu gewinnen. Die von Lenin angestrebte Einladung der Westalliierten zu allgemeinen Friedensverhandlungen in Brest-Litowsk wurde daher von deutscher Seite abgelehnt. Die offiziellen Verhandlungen begannen am 8. Januar 1918 mit Richard von Kühlmann (1873-1948) als deutschem und Leo D. Trotzki als russischem Delegationsleiter. Auf Druck der OHL forderte Kühlmann die Annexion und Kontrolle großer Teile der besetzten Gebiete, darunter Polen, das Baltikum und Kurland. Trotzki versuchte auf Zeit zu spielen, da er revolutionäre Unruhen bei den Mittelmächten erhoffte. Er reiste nach Vorlage der deutschen Forderungen nach Petrograd (heute: St. Petersburg) zurück, die Verhandlungen wurden auf den 20. Januar 1918 vertagt. Daraufhin besetzten die Deutschen weitere russische Gebiete.
Während die Verhandlungen über einen Friedensvertrag mit den russischen Bolschewiken am 20. Januar 1918 ergebnislos vertagt worden waren, verhandelten die Deutschen in Brest-Litowsk auch mit Vertretern der Ukraine über einen Sonderfrieden. Die Übereinkunft zwischen der deutschen und der ukrainischen Delegation sah als Gegenleistung für die Anerkennung der Unabhängigkeit große Getreidelieferungen aus der Ukraine an das Deutsche Reich vor. Dieser "Brotfriede” wurde am 9. Februar unterzeichnet und erhöhte den Druck auf die Bolschewiken. Einen Tag später erklärte Leo D. Trotzki als russischer Delegationsleiter das offizielle Ende der Kriegsteilnahme Russlands, brach aber die Friedensverhandlungen ohne Beschluss ab. Die OHL befahl am 19. Februar den weiteren militärischen Vormarsch im Osten. Kurz darauf kapitulierte die russische Regierung und akzeptierte die deutschen Forderungen.
Der am 3. März unterzeichnete Friedensvertrag zwischen Russland und dem Deutschen Reich sah die Bildung deutsch kontrollierter Satellitenstaaten von der Ukraine bis zum Baltikum vor. Russland sollte weit nach Osten gedrängt werden, es hätte über die Hälfte seiner industriellen Anlagen und fast ein Drittel seiner Bevölkerung verloren. Der Versailler Vertrag machte den Frieden von Brest-Litowsk hinfällig.