Вопрос о назначении генерала Корнилова на должность командующего войсками Петроградского военного округа был решён ещё Императором Николаем II — кандидатура генерала была выдвинута начальником Главного штаба генералом Михневичем и начальником Особого отдела по назначению чинов Армии генералом Архангельским в связи с необходимостью иметь в Петрограде во главе войск популярного боевого генерала, совершившего к тому же легендарный побег из австрийского плена — такая фигура могла умерить пыл противников Императора. Телеграмма с ходатайством о назначении была отправлена в Ставку генералу Алексееву, поддержана им и удостоилась резолюции Николая II — «Исполнить». 2 марта 1917 г., на первом заседании самопровозглашённого Временного правительства Корнилов был назначен на ключевой пост Главнокомандующего войсками Петроградского военного округа, взамен арестованного генерала С. С. Хабалова.

5 марта Корнилов прибыл в Петроград. По прибытии Корнилов сообщил журналистам, что революция «является верным залогом нашей победы над врагом». По приказу Временного правительства и военного министра Гучкова Корнилов, как командующий Петроградским военным округом, объявил 8 марта об аресте Императрице и её Семье в Царском Селе.

6 апреля 1917 г. наградил Георгиевским крестом унтер-офицера лейб-гвардии Волынского полка Т. И. Кирпичникова, первым начавшего бунт в своем полку в начале Февральской революции и убившего капитана Лашкевича.

Гучков свидетельствует, что генерал Корнилов до последнего надеялся договориться с представителями Совета. Но это ему не удалось, как не удалось и найти общий язык с солдатами Петроградского гарнизона. Деникин писал по этому поводу: «Его хмурая фигура, сухая, изредка лишь согретая искренним чувством речь, а главное, её содержание – такое далёкое от головокружительных лозунгов, выброшенных революцией, такое простое в исповедовании солдатских катехизисов, - не могли ни зажечь, ни воодушевить петроградских солдат». В конце апреля 1917 г. генерал Корнилов отказывается от должности главнокомандующего войсками петроградского округа «не считая возможным для себя быть невольным свидетелем и участником разрушения армии… Советом рабочих и солдатских депутатов» и, в связи с подготовкой летнего наступления на фронте, его переводят на Юго-Западный фронт командующим 8-й армией — ударной армии фронта, которая под его начальством добилась впечатляющих успехов в ходе июньского наступления войск Юго-Западного фронта. В конце апреля 1917 г. — перед уходом в отставку военный министр А. И. Гучков хотел провести генерала Корнилова на должность главнокомандующего Северным фронтом— самого распущенного и распропагандированного из всех русских фронтов, где существовали трудности в управлении и могла пригодиться «твёрдая рука» Генерального штаба генерала от ифантерии Л. Г. Корнилова. К тому же должность главнокомандующего фронтом оставалась вакантной после ухода с неё генерала Рузского. Против этого категорически возражал ставший после отречения Царя Верховным Главнокомандующим Генерального штаба генерал от инфантерии М. В. Алексеев, ссылаясь на недостаточный командный стаж генерала Корнилова и тот факт, что многие генералы, старше Лавра Георгиевича по производству и заслугам, ждут своей очереди. На следующий день Гучков прислал официальную телеграмму по вопросу назначения Корнилова, Алексеев пригрозил, что в случае, если назначение состоится, он сам уйдёт в отставку. Военный министр не решился рисковать отставкой Верховного Главнокомандующего, о чём впоследствии, по некоторым данным, жалел. Описанный эпизод впоследствии зародил довольно сильную неприязнь между двумя генералами — он, как и ситуация с арестом в недалёком будущем Алексеевым корниловцев в Ставке после неудачи Корниловского выступления — даёт ключ к разгадке сложившихся весьма непростых взаимоотношений двух генералов.