Stanowisko dowódcy Frontu Wschodniego otrzymał po tym, gdy głównodowodzący Armii Czerwonej Jukums Vacietis usunął z niego Siergieja Kamieniewa za brak dyscypliny i niewykonywanie rozkazów. Trzy tygodnie później jednak decyzja ta została cofnięta przez LeninaE. Mawdsley: Wojna domowa w Rosji 1917–1920. Warszawa: Bellona, 2010. , s. 181..
Dowodził siłami czerwonych w walkach z białą armią adm. Kołczaka oraz wojskami Naczelnego Zarządu Obwodu Północnego, na czele których stał gen. Jewgienij MillerE. Mawdsley: Wojna domowa w Rosji 1917–1920. Warszawa: Bellona, 2010. , s. 201-202 i 204.. Na froncie północnym brał udział w operacji szenkurskiej, w walkach o linię kolejową Wołogda-Archangielsk. W okresie, gdy dowodził Frontem Wschodnim, prowadził on ogólną kontrofensywę, na którą składały się m.in. operacje bugurusłańska i belebejska. Po odwołaniu z frontu wschodniego Samojło ponownie walczył na północy Rosji i 21 lutego 1920 wkroczył do Archangielska. Od 28 kwietnia do 11 maja 1920 był przydzielony do Sztabu Polowego Rewolucyjnej Rady Wojennej Republiki, od 11 maja do 25 czerwca 1920 pomocnikiem szefa sztabu tej rady, od 25 czerwca 1920 do 16 lutego 1921 p.o. szefa sztabu Wsierogławsztabu, a od 16 lutego 1921 do 15 czerwca 1922 pomocnikiem szefa Sztabu Generalnego Armii Czerwonej.