После некоторых колебаний ПЛСР поддержала большевиков в вопросе о роспуске Учредительного собрания. Показателем тесного сотрудничества двух партий стало утверждение на III Всероссийском съезде Советов (январь 1918) первого раздела Основного закона о социализации земли, разработанного левыми эсерами. Представители ПЛСР участвовали в разработке Конституции РСФСР 1918 г.
В июне 1918 г. образована Украинская партия левых эсеров, в конце года – партия левых эсеров Литвы и Белоруссии. Максимальная численность партии достигала 150 тыс. человек (июнь 1918). Фактически ПЛСР стала второй по влиянию партией в Советской России.
Первым вопросом, вызвавшим серьезные разногласия между левыми эсерами и большевиками, стал Брестский мир, против которого выступило большинство лидеров ПЛСР. В марте 1918 г. левые эсеры вышли из состава СНК, но остались в руководстве Советов всех уровней, а также в коллегиях наркоматов и в составе региональных советских правительств. В апреле они вошли в состав Бюро по руководству повстанческой борьбой на оккупированной войсками Германии и Австро-Венгрии территории Украины («повстанческой девятки»).
В мае–июне 1918 г. разгорелось противостояние левых эсеров и большевиков по поводу чрезвычайной продовольственной политики: на заседаниях ВЦИК представители левоэсеровской фракции выступили против принятия декретов о продовольственной диктатуре и комбедах (комитеты бедноты).
К моменту созыва V Всероссийского съезда Советов (4 июля) противоречия двух партий достигли критической точки. 24 июня 1918 г. ЦК ПЛСР подтвердил решение, принятое на II партийном съезде (апрель 1918): положить конец мирной «передышке», организовав ряд террористических актов в отношении дипломатических представителей Германии. III съезд ПЛСР (28 июня – 1 июля 1918) высказался за передачу всей полноты власти ВЦИК Советов и упразднение СНК РСФСР, санкционировал срыв Брестского мира.
6 июля 1918 г. члены ПЛСР убили посла Германии графа В. Мирбаха. М. А. Спиридонова попыталась убедить V съезд Советов в необходимости возобновить революционную войну с Германией. Большевики арестовали всю левоэсеровскую фракцию съезда Советов. В ответ на это левые эсеры арестовали председателя ВЧК Ф. Э. Дзержинского и несколько других деятелей РКП(б), заняли Центральный телеграф и начали агитацию в войсках Московского гарнизона в поддержку выступления. Большевики обвинили левых эсеров в антисоветском мятеже и быстро взяли ситуацию под контроль. Предпринятая 10 июля 1918 г. попытка главнокомандующего Восточным фронтом РККА М. А. Муравьёва устроить переворот в Симбирске (неясно, действовал ли он с санкции ПЛСР) также окончилась неудачей, а сам он был убит.
После 6 июля 1918 г. левые эсеры лишились представительства во ВЦИК и местных Советах. Часть партии поддержала тактику ЦК, другая выступила за единый революционный фронт с большевиками (в сентябре 1918 г. сторонники этой позиции образовали Партию народников-коммунистов и Партию революционного коммунизма). IV съезд ПЛСР (октябрь 1918) отмежевался от покинувших партию групп, осудил диктатуру партии большевиков и ее соглашательскую политику в отношении Германии, высказался за восстановление свободно избранных Советов и вооруженную поддержку восстания на Украине. Под влиянием агитации левых эсеров в феврале 1919 г. начались забастовки на некоторых предприятиях. В ответ на это прошли массовые аресты членов партии.
В этих условиях часть левых эсеров выступила за активную борьбу с «комиссародержавием». «Активисты» поддерживали крестьянские антибольшевистские восстания, примыкали к зеленым движениям. Они участвовали в организации взрыва 25 сентября 1919 г. в помещении Московского комитета РКП(б). Часть левых эсеров склонилась в сторону анархо-синдикализма, несколько деятелей партии примкнули к Н. И. Махно.
Однако в руководстве ПЛСР возобладали сторонники сохранения легального статуса партии в РСФСР («легалисты»), которые отказались от вооруженной борьбы с РКП(б). На Всероссийском совещании (декабрь 1920) эта часть левых эсеров образовала ПЛСР объединенных (синдикалистов и интернационалистов), которая участвовала в работе VIII Всероссийского съезда Советов (декабрь 1920), выборах в Советы (весна 1921) и др.
После Кронштадтского восстания (март 1921) репрессии против левых эсеров приняли систематический характер. К середине 1920-х гг. почти все левоэсеровские лидеры и активисты оказались в местах заключения и в ссылке. Заграничная делегация ПЛСР продолжала существовать до 1930 г.