В 1907 году Ворошилов приехал в Лондон для участия в V съезде РСДРП. На съездах партии он познакомился со многими известными большевиками той эпохи, но особенно близко сошелся с М. В. Фрунзе и М. И. Калининым. В 1907 году Ворошилов встретился с Екатериной Давыдовной Горбман, которая стала вскоре его женой.

Революция 1905—1907 годов закончилась поражением. Была разгромлена и луганская организация большевиков. Ворошилова вновь арестовали и сослали в Архангельскую губернию. Он бежит из ссылки на юг, в Баку, где в 1908 году работает вместе со Сталиным в составе Бакинского комитета большевиков. В том же году вернулся в Питер и снова был арестован. До 1912 года Ворошилов побывал во многих тюрьмах и дальних поселениях архангельской ссылки. Освободившись, он вернулся в Донбасс, где возобновил свою деятельность среди рабочих. Но его опять схватили и отправили в пермскую ссылку, из которой он освободился через год по амнистии по случаю 300-летия царского дома Романовых.

Оставаться в Донбассе Ворошилову было опасно, и он устроился рабочим на орудийный завод в Царицыне.

Началась мировая война.

Многие большевики не уклонялись от призыва в армию, они шли на фронт, чтобы вести там большевистскую агитацию и готовить армию к участию в революции. Но Ворошилов решил избежать мобилизации. Поэтому он с семьей уехал из Царицына и через некоторое время обосновался в Петрограде, где стал работать на небольшом заводике и установил связь с нелегальным городским комитетом большевиков. Здесь, в Петрограде, Ворошилова и застала Февральская революция.

В решающие дни Февраля Ворошилов в гуще рабочих демонстраций. Еще в начале 1917 года он установил связь с некоторыми солдатами Измайловского полка. Теперь он приобрел влияние в гарнизоне. От солдат Измайловского полка Ворошилов был избран в первый же состав Петроградского Совета. Однако его зовут в Луганск, и он с согласия руководства партии снова едет в Донбасс, где его избирают председателем городского комитета партии.

Февральская революция дала свободу всем политическим партиям и группам России. Вместе с различными националистическими организациями в одном лишь Луганске действовало 15 различных партий. Однако большевики стали здесь наиболее сильной революционной организацией. К концу июля в луганскую организацию большевиков входило уже больше 2500 человек. От Луганска Ворошилов участвовал также в VI съезде партии, взявшем курс на вооруженное восстание. Но в Луганске дело обошлось без восстания. Уже в августе большевики победили здесь при выборах в городскую думу, председателем которой был избран Ворошилов. В дни корниловского мятежа в Луганске было создано несколько отрядов Красной гвардии. А в сентябре на перевыборах Советов большевики получили две трети всех мандатов. К своей должности городского головы Ворошилов прибавил и пост председателя Совета. Не только фактически, но и формально большевистская организация Луганска взяла власть в городе в свои руки. Ворошилов не поехал на 2-й Всероссийский съезд Советов, у него было слишком много дел в городе. От Луганска на съезде присутствовало двое большевиков. Однако именно Ворошилов был избран заочно на этом съезде Советов членом ВЦИК.

Только в ноябре 1917 года Ворошилов, делегат Учредительного собрания, выехал в Петроград. Он принял участие в работе 3-го съезда Советов и был снова избран во ВЦИК. Вместе с Дзержинским занимался организацией ВЧК. Его пребывание в столице затягивалось из-за необходимости выполнить многие поручения ЦК, а также СНК РСФСР. В одном из постановлений СНК было, например, записано: «Поручить тов. Ворошилову ликвидацию бывшего Петроградского Градоначальства согласно плану тов. Дзержинского и организацию специального органа для поддержания спокойствия и порядка в Петрограде…»

В феврале 1918 года после срыва мирных переговоров и окончания перемирия немецкие войска начали наступление на восток. Оно было приостановлено после подписания Брест-Литовского мирного договора между РСФСР и Германией. Однако на Украине немецкие войска по соглашению с так называемой Центральной Радой продолжали продвигаться и заняли Киев. Советские отряды с боями отходили под давлением немецких дивизий. В городах Донбасса создавались рабочие отряды, оборудовались бронепоезда. В Луганске под руководством Ворошилова был сформирован 1-й Луганский социалистический партизанский отряд, который принял участие в боях под Харьковом. В промышленных районах Украины была образована Донецко-Криворожская республика. В ходе боев отдельные отряды объединялись в наспех сколоченные армии. Одной из наиболее крупных стала 5-я Украинская армия, командовать которой было поручено Ворошилову.

Немцы не признали Донецкой республики. Плохо вооруженные советские войска терпели поражения и отступали. Ворошилов приказал своей армии оставить Луганск и отходить в пределы РСФСР. Однако в Донской области, через которую должна была пройти армия Ворошилова, Советская власть была свергнута. Казачье правительство генерала Краснова вступило в сговор с германским командованием. Это ставило бойцов Красной армии в очень трудное положение. Уже в первом бою у станции Лихая они потерпели поражение и отступили к Белой Калитве. Было решено, однако, не бросать эшелонов, не оставлять беженцев, а продолжать движение вдоль линии железной дороги на Царицын. Позднее Ворошилов вспоминал:

«Десятки тысяч деморализованных, изнуренных, оборванных людей и тысячи вагонов со скарбом рабочих и их семьями нужно было провести через бушевавший казачий Дон. Целых три месяца, окруженные со всех сторон генералами Мамонтовым, Фицхелауровым, Денисовым и др., пробивались мои отряды, восстанавливая ж.-д. полотно, на десятки верст снесенное и сожженное, строя заново мосты и возводя насыпи и плотины. Через три месяца «группа войск Ворошилова» пробилась к Царицыну…» (Энциклопедический словарь Гранат. 7-е изд. Т. 41. Ч. 1. Приложение. Стлб. 96.)

Участие в обороне Царицына составляет, несомненно, основной эпизод в военной биографии Ворошилова. Он привел в Царицын несколько тысяч бойцов, из которых сформировали одну из дивизий фронта. Кроме того, было образовано еще несколько дивизий и отдельных бригад. Все они приказом РВС были объединены в 10-ю армию, во главе которой был поставлен К. Е. Ворошилов. Политкомиссаром армии стал Е. А. Щаденко. В состав армии вошла и кавалерийская дивизия Б. М. Думенко, одной из бригад этой дивизии командовал С. М. Буденный. Общее руководство обороной Царицына взял на себя Сталин, который находился там еще с начала июня 1918 года в качестве руководителя продовольственного дела на юге России, облеченного чрезвычайными правами. В течение многих месяцев под Царицыном шли с переменным успехом тяжелые бои главным образом с казачьими полками генерала Краснова. Ворошилов показал себя храбрым командиром. Но скорее это можно было отнести на счет его личной храбрости, а не военного таланта. Казачий журнал «Донская волна» в феврале 1919 года писал: «Нужно отдать справедливость Ворошилову, что если он не стратег в общепринятом смысле этого слова, то во всяком случае ему нельзя отказать в способности к упорному сопротивлению».

В те годы такая резкая критика Ворошилова не была единичным фактом. Еще раньше А. Е. Снесарев, военрук Северо-Кавказского военного округа и командующий отрядами, оборонявшими Царицын, в своей докладной записке на имя Председателя Высшего Военного Совета писал:

«…т. Ворошилов как войсковой начальник не обладает нужными качествами. Он недостаточно проникнут долгом службы и не придерживается элементарных правил командования войсками» (Цит. по: Парийский В., Жаворонков Г. В немилость впавший… // Советская культура. 1989. 23 февр.).

Гораздо более категоричным было мнение членов революционного трибунала, разбиравшего обстоятельства сдачи Харькова деникинским войскам летом 1919 года. Город защищали части 14-й армии, которой командовал Ворошилов. Члены трибунала пришли к выводу, что военные познания командарма не позволяют доверить ему даже батальон. Выявившаяся некомпетентность Ворошилова оказалась столь велика, что стала смягчающим вину обстоятельством, и трибунал ограничился только снятием его с должности.