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17世纪后期，封建制在西欧国家已基本瓦解，而此时的沙皇俄国仍在极力维护并加强农奴制，致使俄国的生产力发展受到了严重阻碍。当时的俄国，农业落后，手工业作坊刚刚开始建立，大部分工业品依赖进口，国家军队力量薄弱，政治腐败，宫廷内部为夺取王位而明争暗斗。由于农奴制压迫的不断加强，人民的不满情绪和反抗日益增长。俄国的农民运动此伏彼起，遍及全国。1670～1671年的斯捷潘·拉辛农民起义虽然最终被沙皇政府镇压了下去，但它仍然给予俄国封建制以沉重的打击。
彼得·阿列克谢耶维奇·罗曼诺夫，即彼得一世（1682～1725年在位，沙皇、皇帝）是一位俄国历史上颇有作为的君主，1682年即位时年仅10岁，1689年他挫败异母姐姐索菲娅公主的政变阴谋，正式开始执政。他决心改变俄国的落后面貌，效法西欧，对政治、军事、文化等方面进行了一系列改革。
彼得一世废除了经常干预皇权的大贵族杜马，整顿税务机关，指定9个大臣组成参政院（сенат），作为最高管理机关，负责拟定法令，监督行政、司法、税收、外交、军事、工商等事务。设立12个院（коллегия）代替以往机构重叠臃肿的50个衙门机构。为了有效地监督法令的执行，在中央设立监察总署，在各省设监察官。在地方行政管理上，1719年他将全国划为11个省（губерния），省下又分省区（провинция），省长都直接隶属中央。彼得一世废除东正教牧首职务，取消教会独立性，改由政府任命的神圣议院管理教会事务。
在军事方面，他解散射击军，实行招募制，组建正规军团，建立起拥有步兵、骑兵、炮兵诸兵种的13万人的陆军常备军和一支拥有48艘战船的海军，开设了许多军需工场，创办海军和炮兵等军事学校。
彼得的行政改革冲破了由来已久的门阀观念，一改过去以门第取仕的传统，建立了论功取仕、量才施用的官僚制度。1722年1月彼得政府颁布了关于“官秩表”的法令，将全部文武官员分成14个等级。根据这项法令，非贵族出身的人只要获得八等官衔，便可得到贵族称号。从而保证了一大批有才干的出身卑微之士登上高位，促进了行政部门的工作效率，有利于军队战斗力的加强。
彼得一世注重兴办教育，发展科学技术文化事业，1724年1月他颁布建立俄国科学院的命令，据此创办了科学院和各种专门学校，又派遣许多贵族子弟出国学习。彼得一世当政时期，进行了文字改革，简化了俄文字母，奖励翻译西欧著作，创办了俄国第一份报纸。此外，还进行了历法改革，采用欧洲通用的儒略历（юлианский календарь）。兴办工业，设立纺织、制革、造纸等工场200处，为以后俄国工业的发展奠定了基础。
彼得一世在位期间，多次发生宫廷斗争以及反对改革的阴谋。在彼得当政之初，1689年便镇压了射击军兵变，严厉惩处了索菲娅公主等人。同年秋天，又把与保守的贵族势力有密切联系的皇后叶芙朵基娅·洛普希娜（彼得一世的第一个妻子）放逐到苏兹达尔修道院。彼得一世的改革触及了达官贵人的利益，招致贵族的反对，他们利用皇太子妄图废除新政，恢复旧制度。鉴于皇太子阿列克塞的叛国事件，彼得一世于1722年2月25日颁布了王位继承法，废除了传统的王位继承原则，规定在位皇帝可以自由选择王位继承人，还可以改换已指定的王位继承人。
彼得一世的改革是在从事对外战争的状态下进行的，通过改革促进了经济发展，增强了国力，进一步强化了封建专制的中央集权制，从而为对外扩张奠定了坚实的基础。
为了取得通向西欧的出海口，彼得一世于1695和1696年两度进兵亚速夫，同土耳其作战，终未取得出海口。其后，彼得一世与丹麦和波兰结成同盟，于1700年发动了同瑞典历时21年的“北方战争”，俄国最终取得了战争的胜利，1721年9月10日逼迫瑞典签订了《尼施塔特和约》。俄国夺得芬兰湾、里加湾、卡累利阿、爱沙尼亚以及拉脱维亚的大部分地区。彼得一世终于实现了几代沙皇梦寐以求的夺取出海口的愿望，在北方获得了出海口，密切了与欧洲各国的联系，成为世界强国之一。战争期间彼得一世于1712年迁都涅瓦河口的彼得堡，从此彼得堡逐渐成为俄罗斯的政治、经济和文化中心。彼得一世于1721年改称皇帝（但一般仍称沙皇），俄罗斯也开始称为俄罗斯帝国。
早在17世纪中叶，当沙皇俄国的势力抵达东西伯利亚后，便开始进犯中国黑龙江流域。1643年，雅库斯克督军彼得·戈洛文派遣瓦西里·波雅尔科夫率132人翻越外兴安岭，闯入中国境内，遭达斡尔人抗击，被迫后撤。1650年，叶菲罗·哈巴罗夫武装入侵黑龙江流域。1651年，哈巴罗夫打败了达斡尔人，占领了雅克萨城，取名阿尔巴津。1654年，奥努弗里·斯捷潘诺夫接替哈巴罗夫为俄军头领。1658年，这股侵略者被清军歼灭。此后，俄国侵略者又以叶尼塞斯克为基地，发兵从贝加尔湖地区不断向东推进，深入到石勒喀河中国蒙古族茂名安部的游牧区，占领了尼布楚（涅尔琴斯克），在该地修筑城堡，被当地通古斯人摧毁，俄军重建尼布楚。1664年喀尔喀蒙古人围困尼布楚，1665年切尔尼果夫斯基一伙在中国雅克萨故址重建阿尔巴津。在彼得一世当政期间，清军曾于1685年和1686年发动了两次雅克萨自卫反击战，几乎全歼俄国侵略军。1689年，中俄两国签订《尼布楚条约》，明确规定外兴安岭以南的黑龙江流域和乌苏里江流域是中国领土。
彼得一世去世后，屡次发生宫廷政变，皇位更迭频繁。1761年彼得一世的外孙彼得三世即位。其妻叶卡捷琳娜于1762年利用沙皇的近卫军发动宫廷政变，废黜了彼得三世，取而代之，登上王位，称叶卡捷琳娜二世（1762～1796年在位）。叶卡捷琳娜二世执政期间，进一步强化了农奴制，扩大了贵族地主的特权，把80万国家农民赏赐给贵族，并免除贵族服军役和担任公职的义务。实行农奴制的地区扩大到乌克兰以及顿河、伏尔加河流域，贵族的私有农奴已占全部农民人口一半以上。颁布法令使地主有权流放农民服苦役，并禁止农民对地主作任何控诉。农奴除为地主服劳役外，还须向政府缴纳人头税，服兵役和其他徭役。残酷的压迫激起了俄国历史上最大规模的农民起义——普加乔夫领导的起义（1773～1774）。起义者提出“土地与自由”的口号，主张把耕地、牧场交给人民，废除“人丁税”，受到广大人民的拥护。然而，最终起义被残酷镇压了下去。
出身于德意志一公爵之家的叶卡捷琳娜二世为俄国的强盛，特别是其领土的扩张作出了“卓越”的贡献。在她当政期间，沙皇俄国伙同普鲁士、奥地利一起三次瓜分波兰（1772年、1793年、1795年），把白俄罗斯、立陶宛等地并入俄国。在沙皇俄国的历史上与土耳其的战争共进行过9次，其中两次发生在叶卡捷琳娜二世当政时期，而且都取得了“辉煌”的战绩：通过1768～1774年的俄土战争，沙皇俄国夺得了黑海和第聂伯河口和克里米亚一带，并在土耳其境内攫得了航行和宗教特权；通过1787～1791年的俄土战争，沙皇俄国夺得了南布格河与德涅斯特河之间的大片土地，并把克里米亚正式纳入俄国版图。
保罗一世（1796～1801年在位）推行对内对外政策招致军人们的不满，在英国大使馆的参与下，近卫军和军官们阴谋推翻他的统治。1801年3月23日夜，保罗被几名军官杀死。其子亚历山大一世（1801～1825年在位）继位。在他执政期间，继续推行了叶卡捷琳娜二世的对外扩张政策。1808年2月发动了对瑞典的战争，迫使瑞典把整个芬兰割让给俄国。1801～1813年，通过对伊朗和土耳其的战争，先后将格鲁吉亚和阿塞拜疆并入俄国版图，还迫使土耳其割让比萨拉比亚。1812年，法国皇帝拿破仑率军进犯俄国，俄国人民开始了抗击拿破仑侵略的卫国战争。1813年，俄军取得了抗击法军侵略者的胜利，把法军赶出了俄国。在追击法军的途中，俄军进入波兰和普鲁士。1814年亚历山大一世亲率反法联军进入巴黎。1815年，沙皇俄国与普鲁士和奥地利缔结“神圣同盟”，俨然成了欧洲霸主，波兰的大部分领土被划归俄国。
19世纪初，俄国所辖领土除原来俄罗斯人居住地外，还包括已经并入俄国版图的爱沙尼亚、拉脱维亚、立陶宛、白俄罗斯、乌克兰、北高加索、西部哈萨克斯坦、西伯利亚和极北地带。19世纪上半期，俄国又把芬兰、比萨拉比亚、维斯瓦河一带的波兰领土、南高加索（阿扎里和巴统除外）、整个哈萨克斯坦并入自己的版图，领土约增加1/5，面积约1800万平方俄里。全国总人口在1815年有4500万，1835年增加到6000万，1858年达7400万。
18世纪末，资本主义在俄国有了很大发展。在法国资产阶级革命及其思想的影响下，俄国贵族中，尤其是在1813年远征欧洲归来的青年军官中，出现了一批革命者。这些进步的贵族青年组织了革命团体“北方协会”、“南方协会”，主张废除腐朽的农奴制和专制制度，代之以君主立宪制。1825年，亚历山大一世突然逝世，新沙皇尼古拉一世即位。12月14日（俄历），“北方协会”成员利用向新沙皇宣誓的机会，把他们的团队拉到参政院广场要求沙皇实行立宪。“南方协会”在乌克兰也发动起义。尼古拉一世调动军队进行了镇压，起义遭到失败，彼斯捷尔、穆拉维约夫等5人被处死，100余人被流放到西伯利亚。因为起义发生在12月，故起义者被称为“十二月党人”。
尼古拉一世在镇压了十二月党人以后，进一步加强了专制制度。在国内组建了宪兵队和秘密政治警察，严密监视人民的思想和行动。在国际上积极干预欧洲各国的革命。1848年欧洲各国相继爆发革命，尼古拉一世帮助奥地利的统治者镇压维也纳的革命，反对意大利和匈牙利的民族解放运动。沙皇俄国成为欧洲的“宪兵”。尼古拉一世还进一步向东方和南方扩张。他征服了中亚诸汗国，把哈萨克和吉尔吉斯草原置于俄国的统治之下。他还用军队和堡垒征服了高加索东北部，通过对伊朗和土耳其的战争兼并了东亚美尼亚和高加索的黑海沿岸。
19世纪中叶，资本主义在俄国不断发展，而农奴制度却严重阻碍着俄国的发展。广大农奴、资产阶级和自由派地主对废除农奴制的要求日益强烈。废除农奴制已势在必行。1853～1856年俄国在同英国、法国、土耳其、撒丁王国之间进行的克里米亚战争中遭遇败绩，充分暴露出沙皇专制制度和腐朽的农奴制度的落后性，俄国农民运动日益高涨。在此背景下，沙皇亚历山大二世（1855～1881年在位）于1861年2月19日签署了废除农奴制的宣言和法令。法令规定，农民享有人身自由，但农民必须向地主交付赎金。截至1905年，农民交付赎金20亿卢布以上。废除农奴制后，农民的土地比从前所种的土地减少了1/5。最好的土地还是归地主所有。
亚历山大二世在位期间，从中国东北和西北部割走了150万平方公里，并在1865～1876年间吞并了中亚的浩罕、布哈拉、希瓦三个汗国。1881年即位的亚历山大三世占领了土库曼，彻底完成了沙俄在中亚的扩张，俄罗斯已成为一个横跨欧亚大陆的庞大帝国。到1914年时，整个俄罗斯帝国的版图扩大到2280万平方公里。
19世纪60年代，俄国平民出身的知识分子走上政治舞台。他们反对沙皇专制制度，支持农民的土地要求。1861年，喀山和彼得堡的大学生举行示威游行，这次运动的领导者是民主主义者车尔尼雪夫斯基。19世纪70年代，另有一批知识分子提出了“到民间去”的口号，由此被称为“民粹派”。不久，“民粹派”被沙皇镇压。“到民间去”的活动遭到失败之后，他们之中的一部分人走上了采取恐怖手段刺杀沙皇的道路，组织了“民意党”，于1881年3月刺杀了沙皇亚历山大二世。
19世纪80年代，俄国的工人阶级开始登上政治舞台。1883年，普列汉诺夫等人在日内瓦成立了“劳动解放社”，为在俄国传播马克思主义做了大量的工作。1895年，列宁建立了彼得堡“工人阶级解放斗争协会”。在俄国第一次把社会主义同工人运动结合起来。1898年3月在明斯克召开了俄国社会民主工党第一次代表大会，宣布俄国社会民主工党的成立。但因为这次代表大会没有制定党纲和党章，所以，这时党还没能真正建立起来，直到1903年俄国社会民主工党第二次代表大会召开后，俄国才有了无产阶级的政党——布尔什维克党。
19世纪末20世纪初，俄国资本主义发展到了帝国主义阶段，它积极参与了瓜分世界的争斗。政治制度的腐败，1904～1905年日俄战争中沙俄军队的惨败，使俄国陷入严重的危机，并带来了1905～1907年的革命高潮。1905年1月9日（公历22日，星期天），10余万工人在彼得堡举行和平请愿，遭到沙皇军队的残酷镇压，死伤6000余人，史称“流血的星期日”。之后，起义此起彼伏，罢工接连不断。1905年10月初（俄历），全国铁路职工75万多人宣布总罢工，并得到全俄各行业的响应，爆发全俄政治大罢工和声势浩大的农民起义，士兵骚动不断发生，被压迫民族解放运动日益高涨。为了缓和矛盾，窒息革命，沙皇颁布《10月17日宣言》，允诺给人民以言论、集会、结社、出版等自由，释放政治犯，答应扩大选举权，成立具有立法权的国家杜马，组织新的内阁。孟什维克和社会革命党支持该宣言，期望俄国从此走上资产阶级民主改革的道路。而以列宁为首的布尔什维克党则号召无产阶级举行起义，推翻沙皇专制制度，建立民主共和国。同年12月，在布尔什维克党的领导下，莫斯科等城市爆发武装起义，但所有这些起义都是分散进行的，缺乏充分的准备和周密的组织，因而都相继被镇压下去。1906年、1907年又陆续爆发了工人罢工、农民起义和民族解放运动，但革命已转入低潮。在此次革命当中，彼得堡的工人创建了新型的革命机关——工人代表苏维埃，这种组织形式在革命过程中得到了广泛传播，全国各大城市也都成立了工人代表苏维埃。
沙皇于1906年和1907年召开了两届国家杜马会议。杜马代表大多是地主和资产阶级人物。农民代表在两届杜马上强烈要求地主让出土地。沙皇为避免讨论土地问题，两次解散了杜马。
1905～1907年革命失败后，开始了由沙皇大臣斯托雷平统治的时期。斯托雷平一方面在全国镇压反沙皇的革命运动，一方面为适应资本主义发展的需要，采取了新的杜马选举法和土地政策，其目的在于通过摧毁村社经济，加强富农经济，培植沙皇专制制度在农村中的支柱——富农阶层。
1914年8月，第一次世界大战爆发，俄国与英、法等国组成“协约国”，同德、奥、保、土等国组成的“同盟国”交战。在战争中，俄军屡战屡败，伤亡惨重。战争使俄国经济陷于崩溃，1917年初，国内总危机已经达到极其尖锐的程度。2月18日（公历3月3日），首都彼得格勒普梯洛夫工厂工人开始罢工。25日发展成为全城政治性罢工，罢工工人提出“打倒沙皇！”“打倒战争！”“面包！”等口号。26日工人响应布尔什维克党的号召，将罢工转为起义。27日，起义席卷全城，首都驻军也参加了起义。起义的工人和士兵逮捕了沙皇政府大臣和将军，占领了监狱，释放了政治犯，推翻了沙皇专制制度。全国各地纷纷响应，推翻地方沙皇政权。二月革命后，工农群众组织了工兵代表苏维埃，资产阶级—地主则成立了“临时政府”，从而形成了两个政权并存的局面。
