В ссылке родились две дочери-погодки Бронштейна и Соколовской, однако прибавление в семье не могло оторвать борца за справедливость от более важных дел. Вскоре, в 1902 году, у неутомимого революционера появился план побега. Работая волостным писарем, Бронштейн умудрился утаить один бланк паспорта. Позже он не без иронии вписал в этот паспорт фамилию старшего надзирателя Одесской тюрьмы Николая Троцкого. Эта фамилия осталась за Бронштейном на все последующие годы революционной деятельности, превратившись в легендарный псевдоним.
В августе 1902 года наконец-то состоялся первый долгожданный побег с фальшивым паспортом Николая Троцкого. Жена осталась в ссылке вместе с дочерьми, причем младшей тогда не было и четырех месяцев. Так Троцкий расстался со своей первой семьей, в дальнейшем поддерживая отношения с бывшей женой как товарищ по борьбе и друг. Позже эта семья, вероятно без сожаления покинутая Троцким, будет полностью истреблена по приказу Сталина в 1930-х годах, как, впрочем, и все остальные родственники Троцкого.
Пробираясь через всю Россию, минуя Харьков, Полтаву, Киев, он практически беспрепятственно по фальшивому паспорту достиг границы. Благодаря конспиративным каналам социал-демократов Троцкий покинул Российское государство и, проехав через Вену, Цюрих и Париж, осенью 1902 года до брался до Лондона. Здесь он немедленно примкнул к стройным революционным рядам эмигрантов, оказавшись в лагере социал-демократов, а затем начал свою деятельность в редакции ленинской «Искры». Сначала он просто печатался, пока на его блестящий дар журналиста не обратил внимание сам Ленин. В марте 1903 года он предложил Плеханову кооптировать Троцкого в члены редакции своей газеты. Ленин был просто в восторге от его талантов, но вскоре это обожание перешло в открытую ненависть: на II съезде РСДРП Троцкий посмел резко выступить против его формулировки членства в партии. Ленин никогда не прощал инакомыслия, так Троцкий превратился в «иудушку» и «политическую проститутку».
Во время своего пребывания в Париже Троцкий познакомился с Натальей Седовой, ставшей его второй и последней женой. В этом счастливом браке родились два сына: Лев (1906) и Сергей (1908).
К концу 1904 года Троцкий считался «внефракционным» социал-демократом, как и прежде, он доказывал свою особую позицию, которая до конца так и не соответствовала ни одной из существующих тогда группировок. Находясь в Женеве, он узнал о жестоком расстреле демонстрации 9 января 1905 года и принял решение немедленно вернуться в Россию. В феврале этого же года Троцкий перебрался сначала в Киев, а затем в Петербург. На время политические разногласия большевиков и Троцкого были отодвинуты на второй план, ведь перед революционерами стояла единая задача – свержение царизма, все прочее пока не имело значения. В соавторстве с известным германским социал-демократом Парвусом (А. Л. Гельфанд) Троцкий разработал теорию «перманентной революции», пропагандой которой и занимался все время, выступая и в качестве оратора, и в качестве публициста. Затем последовал его вторичный арест.