Pada Oktober 1899, Stalin mulai bekerja sebagai seorang meteorolog dalam suatu observatorium di Tiflis,[50] dan saat bekerja dia mempunyai waktu untuk membaca.[51] Stalin melangsungkan kelas teori sosialis dan sukses memancing ketertarikan satu kelompok pemuda disekelilingnya.[52] Dia menjadi satu diantara pelaksana sebuah tatap muka pekerja rahasia dalam rencana Hari Pekerja di tahun 1900,[53] dan dalam tatap muka itu dia sukses ajak beberapa orang untuk lakukan berhenti kerja.[54] Pada periode ini, kepolisian rahasia kekaisaran yang disebutkan Okhrana sudah tahu aktivitas Stalin dalam pergerakan revolusioner Tiflis.[54] Mereka coba tangkapnya pada Maret 1901, tapi dia lolos dan sembunyi,[55] dan hidup dari bantuan beberapa teman dan simpatisannya.[56] Meskipun harus bergerak dengan sembunyi-sembunyi, dia menolong rencana demonstrasi dalam rencana Hari Pekerja tahun 1901, dan sepanjang demonstrasi itu 3.000 pengunjuk rasa bentrokan dengan aparatur.[57] Dia berusaha menghindar dari penangkapan dengan menggunakan nama rahasia dan tidur di apartemen-apartemen yang berlainan.[58] Pada November 1901, dia dipilih sebagai anggota Komite Tiflis di Partai Pekerja Demokrat Sosial Rusia (PBDSR), sebuah partai Marxis yang dibangun di tahun 1898.[59]
Di bulan yang masih sama, dia berkunjung kota dermaga Batumi.[60] Retorikanya yang militan mengadu domba kelompok Marxis di kota itu, dan sebagian orang bahkan juga menyangka jika dia ialah seorang agent provocateur yang sembunyi-sembunyi berbakti ke pemerintah.[61] Dia memperoleh tugas di gudang penyulingan Rothschild, dan di sana dia menjadi satu diantara pelaksana dua perlakuan berhenti kerja.[62] Sesudah sejumlah pimpinan berhenti kerja diamankan, dia menjadi satu diantara orang yang melangsungkan demonstrasi besar yang berbuntut pada penyerangan penjara; pasukan pemerintah juga menembaki beberapa demonstran, hingga 13 orang salah satunya meninggal.[63] Stalin mengadakan demonstrasi besar ke-2 di hari penyemayaman mereka,[64] sebelumnya terakhir dia diamankan pada April 1902.[65] Dia awalannya ditahan di Penjara Batumi,[66] tapi selanjutnya dipindah ke Penjara Kutaisi.[67] Pada tengah tahun 1903, Stalin dihukum 3 tahun pengisolasian di Siberia Timur.[68]
Stalin tinggalkan Batumi di bulan Oktober dan datang di kota kecil Novaya Uda di Siberia di akhir bulan November.[69] Di sana, dia ada di sebuah rumah petani yang cuma terbagi dalam dua kamar, dan dia mau tak mau tidur di almari makan.[70] Stalin coba larikan diri sekitar dua kali; sebelumnya dia berlari ke Balagansk sebelumnya terakhir kembali karena radang dingin.[71] Usaha ke-2 nya sukses dan dia berpindah ke Tiflis.[72] Di sana, dia menjadi satu diantara penyunting sebuah media massa Marxis Georgia, Proletariatis Brdzola (“Perjuangan Proletarian “), bersama Philip Makharadze.[73] Dia mengatakan ke gerakan Marxis Georgia untuk memisah diri dari barisan Marxis Rusia, hingga sejumlah anggota PBDSR mengeklaim jika pandangannya bersimpangan dengan prinsip internasionalisme Marxis dan minta supaya Stalin dikeluarkan dari partai.[74] Stalin lantas mengambil pandangannya di bawah bayangan Mikha Tskhakaya.[75] Dalam pada itu, pada periode pengasingannya, PBDSR sudah terpecah di antara Bolshevik yang dipegang oleh Vladimir Lenin dan Menshevik yang dipimpin oleh Julius Martov.[76] Stalin membenci banyak anggota Menshevik di Georgia dan memilih untuk memberikan dukungan barisan Bolshevik.[77] Walaupun Stalin sukses jadikan kota tambang Chiatura sebagai pangkalan barisan Bolshevik,[78] Bolshevisme tetap menjadi barisan minoritas di kelompok revolusioner Georgia yang dikuasai oleh golongan Menshevik.[79]