Після повернення до Росії у травні 1917 року Антонов-Овсієнко перейшов до партії більшовиків. Він був одним з керівників Жовтневого перевороту у Петрограді і командував штурмом Зимового палацу. У грудні Антонов-Овсієнко очолив похід російської радянської армії на завоювання України, проте від сваволі його солдатів відмежувалися навіть більшовики Києва, Харкова та Полтави. 7 березня 18-го року він був призначений головнокомандувачем усіх російських червоних військ в Україні і забезпечував вивезення до Росії матеріальних цінностей та продовольства.
20 листопада центральний комітет російської компартії призначив Антонова-Овсієнка наркомом військових справ українського радянського уряду, а 6 грудня він знову очолив більшовицьку інтервенцію до України. Його армія складалася з росіян, китайців, угорців, татар, латишів, естонців та сербів і вже навесні 19-го року своїми діями викликала масовий збройний опір селян Правобережжя. У своїй доповідній записці Антонов-Овсієнко скаржився Леніну: «Робота надзвичайки та продекспедиторів, які спираються на «інтернаціональні» загони, відроджує націоналізм, піднімає на боротьбу з «окупантами» все населення».
Від 24-го року Антонов-Овсієнко працював у радянських представництвах у Чехо-Словаччині, Литві та Польщі, а під час громадянської війни в Іспанії був генеральним консулом у Барселоні. 37-го року він повернувся до СРСР, був прокурором Росії та наркомом юстиції Радянського Союзу. 38-го року Володимир Антонов-Овсієнко був заарештований за звинуваченням у приналежності до троцькістської опозиції і невдовзі розстріляний.