Вольная боевая дружина) współpracowała kilkukrotnie z bolszewikami w działaniach przeciwko Ukraińskiej Republice Ludowej oraz oddziałom Białych. W późniejszym okresie, kiedy dowództwo bolszewickie uznało Rewolucyjną Powstańczą Armię Ukrainy za wroga, Antonow-Owsjenko dalej wyrażał poparcie dla anarchistów, przez co jego pozycja polityczna osłabła.
Od marca do maja 1918 naczelny dowódca Wojsk Południa Rosji. Brał udział w opracowaniu planów wojennych przeciw Ukraińskiej Republice Ludowej. 3 stycznia 1919 r. na czele wojsk bolszewickich opanował Charków, który stał się siedzibą marionetkowego bolszewickiego Tymczasowego Robotniczo-Chłopskiego Rządu Ukrainy. Dowodził radziecką interwencją na Ukrainie, wiosną został mianowany głównodowodzącym wojsk Ukraińskiej SRR. W latach 1919–1920 przewodniczący komitetu guberni tambowskiej. W 1921 r. przedstawiciel pełnomocny Komisji Wszechrosyjskiego Komitetu Wykonawczego (WCIK) do zwalczania powstania tambowskiego. W latach 1922–1924 szef Zarządu Politycznego Rewolucyjnej Rady Wojennej ZSRR. W latach 1923–1927 współpracował z Lewicową Opozycją. W 1928 r. zerwał z nią.