20 ноября (3 декабря) начались переговоры в Брест-Литовске советской делегации во главе с Адольфом Иоффе с представителями Четверного союза. Немецкую делегацию возглавлял начальник штаба Восточного фронта М. Гофман. 2 (15) декабря было заключено официальное перемирие. 9 декабря открылась мирная конференция, на которой немецкую делегацию возглавил статс-секретарь министерства иностранных дел Рихард фон Кюльман, австрийскую — министр иностранных дел граф Оттокар фон Чернин. Центральные державы формально соглашались на мир без аннексий и контрибуций, но лишь при условии, что такую же позицию займут и государства Антанты. Однако при этом Германия настаивала на сохранении своих колоний и считала, что оккупация Польши, Литвы и Курляндии должна продлиться до заключения всеобщего мира.
27 декабря 1917 года (9 января 1918 г.) советскую делегацию возглавил Троцкий. Ленин сказал ему: «Для затягивания переговоров нужен затягиватель». Такой и была одна из функций Троцкого в Бресте. Другая, не менее важная, заключалась в пропаганде на конференции идей мировой пролетарской революции, поскольку подробные отчеты о конференции публиковались в германских и австро-венгерских газетах. Насчет возможности продолжать войну Ленин и Троцкий нисколько не заблуждались. Последний вспоминал: «Когда я в первый раз проезжал через линию фронта на пути в Брест-Литовск, наши единомышленники в окопах не могли уже подготовить сколько-нибудь значительной манифестации протеста против чудовищных требований Германии: окопы были почти пусты». Троцкий надеялся, что германское командование не рискнет двинуть войска в бой против предлагающей мир советской России, и рассчитывал, что революция в Германии грянет в ближайшие месяцы (потому большевики и затягивали переговоры). Он считал необходимым опровергнуть слухи о сговоре большевиков с германским правительством, распространявшиеся среди мировой социал-демократии. Для этого Троцкий изобрел формулу: «Войну прекращаем, армию демобилизуем, но мира не подписываем».
Ленин боялся, что немцы все-таки возобновят наступление. Троцкий заявил: «Тогда мы вынуждены будем подписать мир. Но тогда для всех будет ясно, что у нас нет другого исхода. Этим одним мы нанесем решительный удар легенде о нашей закулисной связи с Гогенцоллерном. Конечно, тут есть свои плюсы. Но это слишком рискованно. Если бы мы должны были погибнуть для победы германской революции, мы были бы обязаны это сделать.
Германская революция неизмеримо важнее нашей. Но когда она придет? Неизвестно. А сейчас нет ничего более важного на свете, чем наша революция. Ее надо обезопасить во что бы то ни стало».
Германская сторона сочла, что отказ от подписания мира дает достаточно оснований для прекращения перемирия. 18 февраля немецкие и австро-венгерские войска начали наступление и быстро продвигались вперед, практически не встречая сопротивления. 20 февраля Гофман записал в дневнике: «Свинство в русской армии гораздо больше, чем мы предполагали. Сражаться больше никто не хочет. Вчера один лейтенант и шесть солдат взяли в плен 600 казаков. Сотни пушек, автомобилей, локомотивов, вагонов, несколько тысяч пленных, дюжины дивизионных штабов захвачены без всякой борьбы». 24 февраля немцы заняли Псков, 1 марта — Киев, 3 марта — Нарву.
На Украине интервенты 29 апреля свергли Центральную Раду и привели к власти генерала царской армии Павла Скоропадского, провозглашенного «гетманом всея Украины». Центральная Рада перестала устраивать Германию и Автро-Венгрию из-за своей аграрной политики. Социалисты, преобладавшие в Раде, хотели провести аграрную реформу и разделить помещичьи и кулацкие земли между крестьянами. Центральные державы считали, что из крупных хозяйств легче будет забирать продовольствие для голодающего населения Берлина и Вены.
Петроград решено было не брать, поскольку сил для оккупации России у Германии и ее союзников не было, а по сравнению с хаосом предпочтительнее было иметь все же правительство большевиков, от которого ожидали поставок сырья и продовольствия и выплаты контрибуции золотом после заключения мира. Теперь Троцкий всецело поддержал Ленина в необходимости достижения мира любой ценой. 19 февраля советская сторона заявила о принятии прежних германских условий. Однако 21 февраля немцы выдвинули новые, гораздо более тяжелые.
3 марта новый глава советской делегации Григорий Сокольников подписал Брестский договор, отказавшись от каких-либо дискуссий по отдельным статьям. Германия удерживала за собой все оккупированные территории до заключения всеобщего мира, а Россия навсегда отказывалась от Польши и Прибалтики и должна была признать независимость Украины и Финляндии, где находились германские войска. Турции возвращались Батум, Ардаган и Каре.