1917年2月革命胜利后。被选为弗拉季高加索苏维埃委员。

1917年10月，被选为全俄苏维埃第二次代表大会代表，并参加了彼得堡的十月武装起义。十月革命胜利后。党中央派他返回高加索，在捷列克州和北高加索其他地区领导建立和巩固苏维埃政权的斗争。

1919年2月，被任命领导阿斯特拉罕市和阿斯特拉罕边疆区的防御工作，先后担任边疆区临时革命军事委员会主席、红军独立第十一集团军革命军事委员会委员、南方集团军革命军事委员会委员。在这一时期，他还积极领导了北高加索地区党的地下工作和反对邓尼金的游击战争。

1920年5月开始担任俄罗斯联邦苏维埃政府驻格鲁吉亚孟什维克政府的全权代表。同年又受命率苏俄代表团在里加与波兰签订和平条约。10月中旬返回北高加索后，当选为俄共（布）中央委员会北高加索局委员。

1921年3月，在俄共（布）第十次代表大会上被选为中央候补委员。

1921年7月，当选为阿塞拜疆共产党（布）中央委员会书记。基洛夫是高加索联邦社会主义共和国的创始人之一。在他和奥尔忠尼启则的共同努力下，1922年，阿塞拜疆共和国、亚美尼亚共和国和格鲁吉亚共和国联合成立了南高加索联邦社会主义共和国，并通过了加入苏维埃社会主义共和国联盟的决议。

1923年在俄共（布）第十二次代表大会上当选为中央委员。在1920年代初，在苏共全党的大辩论中，他坚决支持斯大林，反对托洛茨基和季诺维也夫。1926年到列宁格勒接替季诺维也夫任州委书记。在列宁格勒，他领导了当地的工业建设，强硬推行农业集体化，拆除了几十座教堂，逮捕被认为是对抗社会主义建设的知识分子。同时，他口才出众，当时政治局委员中，敢于到工厂去直接面向工人讲演的，唯有他一个。

1925年12月调到列宁格勒工作，

1926年2月在列宁格勒省召开的党的第23次特别会议上当选为联共（布）列宁格勒州委第一书记并兼任联共（布）中央西北局第一书记，联共（布）中央政治局候补委员。

1930年起任联共（布）中央政治局委员。1930年代，基洛夫在苏共党内风头日盛。1930年7月13日，基洛夫在苏共中央全会上被选为政治局委员和中央委员会书记，进入苏联最高领导层。在柳京集团反对斯大林的处理会议中，基洛夫挺身而出，反对斯大林对他们处以极刑的决定。

1934年的中央委员会选举中，基洛夫得到最少的反对票3票，同时斯大林得到最多的292张反对票。政治局委员卡冈诺维奇下令将选票销毁，宣布斯大林和基洛夫并列得到3张反对票。斯大林得以继任总书记，而基洛夫任政治局委员、党中央书记、中央组织局成员。斯大林曾建议基洛夫到莫斯科工作，基洛夫没有同意。回到列宁格勒之后，基洛夫还作主把一部分军队的库存粮食拿出来分给饥馑的工人。

1934年12月1日，一个因为工作安排不得志而多次上访的人，列奥尼德·瓦西里耶维奇·尼古拉耶夫（Leonid Nikolaev），畅通无阻地进入了平日戒备森严的列宁格勒市委所在地斯莫尔尼宫，用手枪将基洛夫打死。这次刺杀的动机有争风吃醋（基洛夫很讨女人欢心，与多人有染）、德国人主使（尼古拉耶夫事前数次去德国领事馆，事发后次日德国领事回国再未赴苏联）、斯大林清除威胁等多种说法。

基洛夫被刺事件是一个案情扑朔迷离的历史疑案。凶手尼古拉耶夫虽然当场被捕，并由当天赶到列宁格勒的斯大林亲自审问，但审讯记录始终没有公布，尼古拉耶夫当月即被枪决；另一个主要证人鲍利索夫（基洛夫的警卫队长）在前往受审路上因“交通事故”而死亡。

斯大林从一开始就显示出对此案的高度重视，他亲自前往列宁格勒参与调查和审讯，并且宣称此次暗杀是由托洛茨基集团所策划，继而以此案为契机，开始了“大清洗”。

2009年12月1日，在谢尔盖·基洛夫遇刺75周年之际，俄罗斯联邦安全总局解密了一批与基洛夫案相关的文件。圣彼得堡市政府新闻处宣布，包括凶手尼古拉耶夫日记在内的58套文件，已经移交至圣彼得堡市基洛夫博物馆。

1904年，尼古拉耶夫出生在彼得堡的一个工人家庭。很小的时候，他就失去了父亲，再加之其身体一直不太好，长大成人之后，性情变得暴躁异常。

18岁时，他成为了联共（布）党员；21岁时，他拥有了一个温暖的家庭：1925年，他与比他大3岁的拉脱维亚姑娘米丽达·德拉乌列结婚，并很快就生了两个漂亮的儿子。虽然曾经在共产主义大学学习过，但他总是不能在任何单位工作很长时间，无数次更换工作之后，1933年10月，他转至生命中的最后一个单位——列宁格勒党史研究所，担任党史流动宣传员。

此后不久，党史研究所内部征召党员投入运输系统，可尼古拉耶夫却拒绝到铁路上出长差，理由是他身体不好应该疗养，并且，他还有两个年龄尚小的孩子。结果，他被双开了：不仅被开除出党，而且还被开除了公职。

尽管被开除后不久，尼古拉耶夫的党籍又被恢复并接到了到工厂工作的建议，然而，曾经拎过公文包的他却并不甘心去干体力活，他开始频繁向各级党政机关及各位领导人——甚至包括斯大林本人——写信控诉自己受到了非人待遇。在给卫生人民委员会的一封信中，他还明确提出了自己的要求：“请在7月1日之前给我回答—让还是不让我去疗养。我该得到疗养许可证了。”

此外，他还提出要求，到列宁格勒州的疗养许可证，他还不要，他需要到最好的地方疗养。

当然，这些控诉信没有得到任何回音，而且，作为一个失业者，他甚至被剥夺了食品供应证——他的家庭只能靠其夫人米丽达一人来供养。当时，有15年党龄的米丽达已出任了列宁格勒州重工业局视察员。

除了向各级党政机关写控告信之外，尼古拉耶夫开始了写自传体日记。在日记中，他写道，他已经30岁了，准备将这本自传留给儿子马尔克斯及列昂尼德做纪念—作为一个失业者，他有大量的时间来做这件事情。

在这本日记中，可以清晰地看到他是如何起意报复当权者，并如何准备这次谋杀的。1934年8月，长时间的不得志已让尼古拉耶夫接近疯狂，他不仅决定采取报复行动，而且还准备轰轰烈烈地死去。“我的枪击，将类似于日里亚波夫的枪击！”在日记中，尼古拉耶夫写下了这样的誓言。安德烈·日里亚波夫是俄罗斯历史上著名的刺客——他是刺杀俄皇亚历山大二世的主谋之一。

显然，尼古拉耶夫已将其刺杀目标锁定为其所在地的最高领导人——列宁格勒州州委书记基洛夫。

1934年12月1日下午16时30分左右，基洛夫进入州委办公大楼斯莫尔尼宫，并沿主楼梯来到了三楼。据基洛夫博物馆的资料显示，就在基洛夫从主走廊拐向左边的走廊准备走向自己的办公室时，后脑中枪倒地。闻声冲出来的工作人员及警卫人员，在基洛夫的尸体旁抓住了手持左轮手枪、有些神经质的尼古拉耶夫。15分钟之后，医生将基洛夫抬进其办公室进行无效抢救之际，尼古拉耶夫的妻子米丽达也被控制起来。

尼古拉耶夫被抓后，立即接受了突审，不过当时他情绪已经失控，直到当晚21时被第二次提审时，他才断断续续地作了较有逻辑性的交待。

关于凶器的情况，安全人员倒是很快就查明了：尼古拉耶夫行刺时所用的左轮手枪，早在1918年他就拥有了，1924年他从苏联政府手中得到了相应的持枪证（编号4396），1930年4月，重新注册（证件编号12296）。

虽然基洛夫在政治局中仅排名第八，但他是斯大林坚定的追随者，在1920年代初，在苏共全党的大辩论中，他坚决支持斯大林，反对托洛茨基和季诺维也夫（1883年一1936年共产国际执行委员会首任主席）。1926年，他到列宁格勒接替季诺维也夫任州委书记。

同时，他和斯大林有着非常密切的私人关系。斯大林的卫兵在回忆录中曾表示，长时间的聊天之后，斯大林甚至肯把自己的床让给基洛夫睡，自己则跑到一边睡沙发。

基洛夫遇害的消息传到莫斯科之后，暴跳如雷的斯大林立即下令开始准备特别专列，他要亲赴列宁格勒察问此案。12月2日上午10时30分，斯大林带同莫洛托夫、伏罗希洛夫等多位高级领导人乘特别专列赶到了列宁格勒，下车伊始，他就在列宁格勒火车站痛骂了前来接站的国家安保人员。

抵达列宁格勒的当天，斯大林就亲自提审了尼古拉耶夫。之后，安全部门的高级领导人亚戈达、叶若夫、阿格拉诺夫也先后提审了尼古拉耶夫。不过，在所有的审问中，尼古拉耶夫都坚称，他是单独用私人武器完成了谋杀。

除提审尼古拉耶夫之外，斯大林在1934年12月2日还决定提审案件中的另一个关键人物：案发后马上被捕的基洛夫的卫队长鲍利索夫——正是他陪同基洛夫上了三楼。然而，就在去见斯大林的路上，鲍利索夫却因车祸死于非命（车中的其他人一个也没有受伤）。

相信这一“意外”肯定在加深斯大林愤怒的同时，也让斯大林感觉到了死亡离他是如此之近，因此，斯大林突显了其行事残忍果决的一面，一道其亲手准备、被俄罗斯历史学家尤里·沙巴瓦尔称之为“恐怖宪章”的命令出台了：以后类似案件必须在10天内侦结，极刑判决之后则立即执行。

基洛夫的遗体，很快被运到了莫斯科，1934年12月6日，斯大林亲自为之主持了盛大的葬礼，并为其抬棺。米高扬曾在自己的回忆录中写到：“基洛夫的逝世，是继列宁逝世之后，令党和国家最为痛苦的事情了，那种悲痛甚至超过了捷尔任斯基逝世时的悲痛。”

1934年12月29日，尼古拉耶夫及其13名所谓“列宁格勒中心”同伙被处决，在此之前，已有103名前白俄近卫军成员被镇压。

两个多月后，已因丧失警惕而被开除出党的米丽达也于1935年3月10日被枪决。除米丽达本人之外，她的妹妹及妹夫同时也被镇压。此外，尼古拉耶夫的兄弟彼得·尼古拉耶夫，米丽达的哥哥彼得·德拉乌列也相继被捕。尼古拉耶夫的两个姐姐、堂兄也都被送进了集中营，其母则被发配到边远的农村居住。

尼古拉耶夫的两个儿子，6岁的马尔克斯、3岁的列昂尼德，也被送进了福利院。马尔克斯直到80来岁的时候，才从基洛夫博物馆馆长塔吉扬娜的档案资料中，第一次看到了母亲的照片—2005年8月17日，经公民马尔克斯·德拉乌列提出申请，俄联邦总检察院仔细研究相关文件之后正式宣布，尼古拉耶夫之子马尔克斯·德拉乌列为“镇压受害者”，其政治镇压受害者的地位被正式确认。

其实，在儿童福利院长大的马尔克斯·德拉乌列即使是成年之后，也不知道自己和著名的基洛夫案有关系。直到2005年1月，在电视中看一部有关基洛夫案的电影之际，让一直在使用母姓——德拉乌列这个姓在俄罗斯非常少见——的他在仔细研究有关凶手孩子们的资料之后，才突然意识到，他有可能是“凶手”的儿子之一。

“我不记得父母了，”他在自传中如此写道，“我只记得6岁之前，我是住在列宁格勒，住在一所C型的大楼里，家就在拱门的上边，亲人则有爸爸、妈妈、奶奶及小弟弟列尼亚，1935年1月，我进了维堡区的第44儿童福利院。”马尔克斯也没有找到任何与弟弟列昂尼德有关的音信。

而尼古拉耶夫全家因之而变得悲惨无比的命运，只是一个更大悲剧的开始——利用基洛夫案，斯大林发动了对前托派分子及其主要反对派—季诺维也夫、加米涅夫的攻击，从而引发了苏联历史上著名的大清洗。

基洛夫死后苏联有多处地点以他命名，如列宁格勒芭蕾舞基洛夫剧院（现马林斯基剧院）、基洛夫州及其首府基洛夫市、莫斯科地铁的基洛夫站、伏尔加格勒的基洛夫区、列宁格勒的基洛夫工厂，等等。另外，还有基洛夫级核动力导弹巡洋舰、电子游戏《红色警戒2》中的基洛夫飞艇等。1939年在巴库建造了一座巨大的基洛夫塑像，1991年阿塞拜疆独立后塑像被拆除。

基洛夫一生刻苦钻研马克思列宁主义理论，并能把马列主义原理与革命具体实践相结合。在联共（布）党内有关建设社会主义的理论、方针、路线的历史争论中，他都站在多数派一边。他的著作有《基洛夫言论集》，并参加了《苏联国内战争史》一书的编辑工作，同斯大林、日丹诺夫一起审阅过《苏联近代史教程》《苏联通史教程》，还发表过《关于苏联历史教科书提纲的意见》和《关于近代史教科书提纲的意见》等。