Після Лютневої революції 1917 р. Михайло Сергійович уже вільно міг повернутися до Києва, де його зустріли як національного героя. Тоді ж заочно обрали головою Української Ради – органу національно-визвольного руху України. На початку квітня 1917 р. в Києві проходив Всеукраїнський національний конгрес, на якому в урочистій обстановці професора Грушевського остаточно затвердили на посаді голови Центральної Ради. У той час він був уже членом Української партії соціалістів-революціонерів. Виходячи з її програми, Грушевський сформулював головне завдання Центральної Ради – досягнення національно-територіальної автономії України у складі Федеративної Демократичної Російської республіки. Він провів значну роботу щодо реорганізації складу Центральної Ради, перетворення її на всеукраїнський представницький орган. За безпосередньої участі Грушевського були розроблені всі чотири Універсали Центральної Ради, у яких відбився реформістський поступальний характер переходу від автономної Української Народної Республіки у складі Росії до повної незалежності.
Як справжній інтелігент Грушевський і в політиці дотримувався загальнолюдських цінностей, а не вузькокласових або національних інтересів, прагнув урахувати і задовольнити вимоги всіх соціальних і національних груп. Але видатний письменник і історик, так само як і інші лідери УНР, перебував у полоні революційної ейфорії і не був здатний на рішучі політичні кроки, що їх вимагали обставини. Як наслідок, нерозв'язані проблеми накопичувались, і Центральна Рада втрачала авторитет і популярність серед населення, чим поквапилися скористатись більшовики. А оскільки Україна практично не мала армії, то не змогла протистояти більшовистській агресії.
25 січня 1918 р. під артилерійським обстрілом глава Центральної Ради разом з іншими лідерами УНР спішно покинув Київ. Того ж дня українська делегація підписала у Брест-Литовську сепаратний мирний договір з країнами Четверного Союзу. Німеччина і Австрія погодилися надати підтримку Україні в боротьбі з більшовиками в обмін на поставки продуктів харчування і промислової сировини. Брестський мир став блискучою перемогою молодої української дипломатії та першим актом визнання України на світовій арені як незалежної держави.
На початку березня 1918 р. керівництво Центральної Ради повернулося з німецькими військами до зруйнованого Києва. У ході бойових дій більшовики спалили будинок М. С. Грушевського. У вогні загинула унікальна колекція килимів, виробів зі скла і порцеляни, картини, книги і рукописи XVII—XVIII ст.
У період другого (березень