После Октябрьского переворота в России в губернский город пришли перемены. В первую очередь они коснулись градообразующего завода. С большим трудом военное производство перестраивалось на выпуск гражданской продукции, на ремонт паровозов для Мурманской железной дороги, судов Онежской флотилии. В 1918 г. Александровский завод поменял свое название, став Онежским металлургическим и механическим заводом, но по-прежнему оставался основным предприятием города. Наряду с заводом большую роль в жизни города в этот период времени стала играть и Мурманская железная дорога.

Новые веяния отразились на облике города, менялась топонимика, улицам города активно присваивались имена вождей. Первые годы после революции были неспокойными. Мировая война оставила Русскому Северу непростое наследие. Кроме несогласных с установлением советской власти на территории Карелии оказались войска стран Антанты. Вместе с союзническими войсками отряды финских добровольцев начали вторжение в Северную Карелию, а в 1919 г. несколько раз пытались захватить Петрозаводск. В июне 1919 г. в центре города стал формироваться некрополь с захоронениями коммунистов, павших в борьбе с интервентами.

7 июня 1920 г. была образована Карельская Трудовая Коммуна — карельская автономия в составе РСФСР. Петрозаводск стал столицей КТК, что дало городу дополнительную возможность для социально-экономического и культурного развития.

В первые годы своего существования республика получила несколько привилегий, например, право иметь национальные воинские формирования. В 1925 г. в Карелии был создан отдельный Карельский егерский батальон численностью около 700 бойцов. Гарнизон егерей располагался в Петрозаводске, активно участвовал в жизни города. Ежегодно проводились парады национального егерского батальона. На спортивных площадках организовывались конно-показательные, тактические занятия с дымовой завесой и стрельбой.

В 1934 г. в городе был объявлен «массовый поход за социалистическую реконструкцию и благоустройство Петрозаводска». В это время в ямке Онежского завода был заложен парк. Петрозаводск вошел в число лучших городов СССР по благоустройству.

В период советско-финляндской войны 1939-1940 гг. в Петрозаводске были приведены в боевую готовность службы и подразделения противовоздушной обороны. Проводились мобилизации в действующую армию. Город принимал раненых бойцов. По итогам войны 12 марта 1940 г. был заключен мирный договор. 13 апреля 1940 г. в Петрозаводске на внеочередной сессии Верховного Совета КАССР был принят закон о преобразовании Карельской Автономной Советской Социалистической Республики в Карело-Финскую Советскую Социалистическую Республику. Петрозаводск стал столицей союзной республики в составе СССР. В 1940 г. в Петрозаводске открылся Карело-Финский государственный университет. Со временем университет стал крупнейшим на северо-западе СССР учебным и научным центром вместе с образованным в 1930 г. Карельским научно-исследовательским институтом.

В первые дни войны началась эвакуация промышленных предприятий и населения на восток. Первые эшелоны с оборудованием Онежского завода, главного градообразующего завода, прибыли в Красноярск в августе 1941 г. Уже в октябре «онежцы» отправили из Красноярска на фронт первую партию снарядов раньше установленного срока. Петрозаводская лыжная фабрика открыла производство лыж в г. Кирове, выпуская их в большом количестве для нужд фронта. В г. Сыктывкаре, столице Коми АССР, продолжал работу Карело-Финский государственный университет.