После Февральской революции 1917 г. Митрофан выступил с обращением к пастве и подчеркнул, что необходимо подчиняться Временному правительству. Однако отказался подписать составленное астраханским городским собранием духовенства воззвание с приветствиями в адрес организаторов свержения монархии. 5 сентября 1917 г. по ходатайству Митрофана в Астраханской епархии было учреждено Енотаевское викариатство, в связи с чем правящий архиерей стал именоваться Астраханским и Царёвским. Епископом Енотаевским решением Синода был назначен епископ бывший Петровский Леонтий (Вимпфен), который замещал правящего епископа во время его отъездов из Астрахани в августе 1917 г. на поместный Собор Православной Российской церкви 1917–1918 гг.  Митрофан был одним из активных деятелей поместного Собора, участвовал во всех трёх сессиях, возглавлял соборный Отдел о Высшем церковном управлении. Важное значение имела решительная позиция, занятая Митрофаном по вопросу о восстановлении патриаршества. 11 октября 1917 г. он выступил на заседании Собора с докладом, в котором обосновывалась необходимость избрания патриарха: «Нам нужен Патриарх как духовный вождь и руководитель, который вдохновлял бы сердце русского народа, призывал бы к исправлению жизни и к подвигу и сам первый шёл бы впереди». По словам Митрофана, вопрос о патриаршестве был для Собора основным, без его решения дальнейшая соборная работа была бы невозможной. Доклад Митрофана вызвал продолжительные и ожесточённые дебаты, но после происшедшего 25 октября 1917 г. в Петрограде государственного переворота и прихода к власти большевиков подавляющее большинство членов Собора поддержали введение патриаршества. 28 октября поместный Собор вынес историческое решение о восстановлении в Русской церкви патриаршества. В тот день в выступлении на Соборе Митрофан сказал: «Дело восстановления Патриаршества нельзя откладывать: Россия горит, всё гибнет. И разве можно теперь долго рассуждать, что нам нужно орудие для собирания, для объединения Руси? Когда идёт война, нужен единый вождь, без которого воинство идёт вразброд» («Деяния Священного Собора Православной Российской Церкви 1917–1918 гг.». М., 1994 г., том 2). 5 ноября 1917 г. Митрофану было поручено выступить в храме Христа Спасителя перед избранием по жребию патриарха, которым стал Московский митрополит Тихон (Беллавин). В декабре 1917 г., после окончания первой сессии поместного Собора, Митрофан возвратился в Астрахань, где ещё некоторое время сохранялись прежние структуры местного управления. С 12 по 25 января 1918 г. в городе шли бои между отрядами Красной гвардии и выступившими против них казачьими частями. Красногвардейцы укрепились в Астраханском кремле, где располагались кафедральный Успенский собор, духовная консистория и покои Митрофана. Казаки пытались штурмовать кремль, но потерпели неудачу; власть в Астрахани захватили большевики.