В годы Первой мировой войны, с октября 1915 по ноябрь 1917, парадные залы Зимнего дворца превратились в лазарет, носящий имя цесаревича Алексея Николаевича.
Февральская революция вдохнула в его стены новую, бурлящую жизнь: с июля по ноябрь 1917 года здесь заседало Временное правительство, а после Октябрьского переворота Зимний дворец навсегда утратил статус императорской резиденции, став сокровищницей искусства, где разместилась основная экспозиция Государственного Эрмитажа.
С июля 1917 года Зимний дворец превратился в резиденцию Временного правительства. В ознаменование новой эпохи был издан декрет о национализации царских резиденций, и создана художественно-историческая комиссия, призванная принять на хранение бесценные сокровища Зимнего. Однако надвигающаяся буря заставила принять меры предосторожности: в сентябре часть бесценной художественной коллекции Эрмитажа была спешно эвакуирована в Москву, в надежде уберечь её от грядущих потрясений.
В ночь с 25 на 26 октября (7—8 ноября) 1917 года, революционно настроенные солдаты и матросы захватили Зимний дворец, который защищали юнкера и женский батальон, словно хрупкий оплот уходящей эпохи. Той ночью, дворец был обстрелян картечью из орудий Петропавловской крепости, чей гул эхом прокатился по революционному Петрограду. К 2 часам 10 минутам ночи, сломив сопротивление, восставшие ворвались во дворец и Временное правительство пало.
В октябре 1917 года Эрмитажу и Зимнему дворцу присвоили статус государственных музеев, где к тому же, в течение нескольких месяцев здесь располагался Народный комиссариат просвещения, а в парадных залах дворца начали устраивать лекции и собрания. В те неспокойные 1918—1919 годы дворец, словно устремляясь к новому идеалу, гордо именовался Дворцом Искусств.
В январе 1920 года в парадных залах Зимнего дворца состоялось официальное открытие Государственного музея Революции. К ноябрю 1920 года завершился процесс возвращения эвакуированных в Москву художественных ценностей, а в январе следующего года для публики открылись залы Картинной галереи.
В годы Великой Отечественной войны в подвалах Зимнего дворца было устроено 12 бомбоубежищ, в которых до 1942 года постоянно находилось до двух тысяч человек. Также, во дворце была укрыта часть не эвакуированной музейной коллекции Эрмитажа и пригородных дворцов Ленинграда. Во время войны Зимний дворец пострадал от бомбежек, когда семнадцать артиллерийских снарядов и две авиационные бомбы попали в его стены. Частично были повреждены парадные залы, находящиеся близ Иорданской лестницы.
7 ноября 1944 года Зимний дворец вновь был частично открыт для посещения.
