После Февральской революции Милюков вошел во Временный комитет членов Государственной Думы, а затем 2 марта 1917 г. в качестве министра иностранных дел – в состав Временного правительства во главе с князем Г. Е. Львовым. Внешнеполитический курс лидера кадетов был направлен на единение с союзниками по Антанте и войну с Германией, невзирая ни на какие жертвы (младший сын самого министра добровольцем ушел на фронт и погиб), до победного конца. За свое стремление добыть России Константинополь и Черноморские проливы получил в левой прессе прозвище «Дарданелльский». Нарастание антивоенных настроений в стране заставило Милюкова в дни апрельского кризиса подать в отставку. Свою политическую деятельность он продолжал в качестве председателя ЦК кадетской партии. Участвовал в Совещании пяти крупнейших партий (кадетов, радикально-демократической, трудовиков, социал-демократов, эсеров), Временного комитета членов Государственной Думы и исполкомов Совета рабочих и солдатских и Совета крестьянских депутатов, где заявил, что «Советы должны сойти с политической арены, если они не могут творить государственное дело». Поддержал, вместе с другими руководителями кадетской партии, выступление генерала Л. Г. Корнилова. Октябрьский переворот Милюков воспринял враждебно. Все его усилия были направлены на создание единого фронта в борьбе против большевиков. Милюков стал активным участником создания Добровольческой армии (программная декларация армии принадлежала его перу). Важной частью политической деятельности Милюкова стало написание «Истории второй русской революции» (1918–1921 гг.).
Осенью 1918 г. Милюков покинул Россию, выехав сначала в Румынию, затем во Францию и Англию. С 1921 г. проживал в Париже. Его главным делом стала разработка «новой тактики» борьбы с большевиками. Объединяя «левый» сектор эмиграции в противовес сторонникам вооруженной борьбы с советской властью, Милюков признал отдельные завоевания этой власти (республика, федерация отдельных частей государства, ликвидация помещичьего землевладения), рассчитывал на ее перерождение в рамках новой экономической политики и последующий крах. Во Франции Милюков стал редактором газеты «Последние новости». Был учредителем и председателем Общества русских писателей и журналистов, Клуба русских писателей и ученых, Комитета помощи голодающим в России (1921), одним из организаторов Русского народного университета. Читал лекции в Сорбонне, в Коллеже социальных наук, во Франко-Русском институте. Милюков выпустил двухтомный труд «Россия на переломе» (1927 г.) о событиях Гражданской войны, подготовил к публикации дополненное и переработанное издание «Очерков по истории русской культуры» (вышло в 1930–1937 гг.) и др. В последней своей статье «Правда о большевизме» (1942–1943 гг.), написанной, вероятно, после получения известия о разгроме немцев под Сталинградом, он открыто заявил о солидарности с русским народом,