16 września 1917 r. był przewodniczącym II zjazdu delegatów Floty Bałtyckiej, zdominowanego przez lewicowych radykałów. Proklamacja zjazdu wzywała do zawarcia pokoju, przekazania ziemi komitetom chłopskim i oddaniu fabryk pod kontrolę robotniczą.
Uczestniczył w przygotowaniu przewrotu bolszewickiego w Piotrogrodzie, będąc w kontakcie z przywódcami bolszewickimi w stolicy Rosji – sam przebywał w tym czasie w Helsingforsie. 24 października (6 listopada) otrzymał tam telegram od Władimira Antonowa-Owsiejenki, wzywający go do sprowadzenia marynarzy i okrętów do Piotrogrodu. Wiadomość ta była umówionym sygnałem do buntu przeciwko Rządowi Tymczasowemu. W odpowiedzi Dybienko zapewnił, że okręty pojawią się w rosyjskiej stolicy następnego dnia rano. On również przekonał przewodniczącego komitetu marynarzy krążownika Aurora, by okręt pozostał w Piotrogrodzie w nocy z 25 na 26 października (7 na 8 listopada) i wziął udział w obaleniu rządu.
Wspólnie z Antonowem-Owsiejenką brał udział w organizacji oddziałów marynarzy, które powstrzymały w Gatczynie marsz Kozaków dońskich generała Piotra Krasnowa na Piotrogród na wezwanie Aleksandra Kiereńskiego. Oddział marynarzy pod dowództwem Dybienki był bliski wzięcia samego Kiereńskiego do niewoli..