Советов избирается членом ВЦИК Центросибири и одновременно становится членом губкома РСДРП(б).

С победой Октябрьской революции Трилиссер принимает активное участие в установлении советской власти в Сибири. Он входит в состав Оперативного штаба частей Красной гвардии Иркутска, а затем становится во главе местных органов ЧК. Организует борьбу с контрреволюцией и саботажем, участвует в подавлении юнкерского мятежа в Иркутске в декабре 1917 года.

После мятежа чехословацкого корпуса и военного переворота, осуществленного летом 1918 года адмиралом Колчаком, в Сибири ликвидируется советская власть и устанавливается белогвардейская диктатура. Трилиссер вместе с другими революционерами-болыпевиками уходит в подполье и переезжает на Дальний Восток, в город Благовещенск. Там он входит в состав коллегии советского военного комиссариата по Восточной Сибири и Забайкалью.

С образованием в 1921 году буферного государства — Дальневосточной республики (ДВР) — Трилиссер назначается комиссаром по Амурской области, избирается членом Дальневосточного бюро РКП(б) и входит в руководящий состав Государственной политической охраны (ГПО) ДВР, выполнявшей функции контрразведки этой буферной республики. В рамках ГПО он создает первую на советском Дальнем Востоке специальную шифровальную службу для связи с Москвой и начинает формировать разведывательный агентурный аппарат.

Вскоре в центральный аппарат ВЧК в Москве из Дальневосточной республики начинают постоянно поступать шифрованные телеграммы о служебных переговорах Трилиссера с командованием Красной Армии, действовавшей против взбунтовавшегося чехословацкого корпуса и японских воинских подразделений, о планах Японии, США и белогвардейцев на Дальнем Востоке. Приведем одно из сообщений Трилиссера в Центр того периода:

«Получил информацию, что японское командование выдвигает вопрос о мирных переговорах. Местом встречи предполагается Харбин. Противник поспешно отступает, взорвав водокачку и разобрав железнодорожные пути. Нельзя ли получить аэроплан для ведения разведки?»

Сведения, получаемые от Трилиссера, представляют интерес не только для ВЧК, но и для Народного комиссариата по иностранным делам. Нарком Г.В. Чичерин шлет ему телеграмму, в которой, в частности, говорится: «Ваша энергичная деятельность и принятые меры всецело находят одобрение и решительную поддержку центрального правительства».

После изгнания интервентов с советского Дальнего Востока Трилиссер избирается секретарем Амурского обкома партии и одновременно является редактором газеты «Амурская правда». В марте 1921 года в качестве делегата от коммунистов Забайкалья он участвует в работе X съезда РКП(б), провозгласившего новую экономическую политику (НЭП) и создавшего условия для перехода большинства крестьянства на сторону большевиков.

В последние дни работы съезда Трилиссеру предложили занять должность заведующего Дальневосточным отделом Исполкома Коминтерна. Однако проработал он на этой должности всего несколько месяцев.

Уже в августе 1921 года с Трилиссером встретился Дзержинский и предложил ему перейти на работу в ВЧК, в Иностранный отдел. Трилиссер, имевший опыт агентурной работы на Дальнем Востоке, согласился. Он был назначен начальником закордонной части Иностранного отдела ВЧК.

В то время помимо закордонной части разведки, которая действовала за рубежом, разведку сопредельных стран вели полномочные представительства ВЧК — ГПУ, а затем ОПТУ в приграничных районах — в Белоруссии, на Украине, в Закавказье, Средней Азии, Забайкалье, на Дальнем Востоке. Они имели право направлять свою агентуру в сопредельные страны.