Ушедшие в отставку министры социал-демократы были даже рады в самые критические часы свалить со своих плеч ответственность. Их терзали сомнения, страх, неуверенность... Ведь они уже практически ничем не руководили, кроме нескольких еще не разбежавшихся «министерских» канцелярий. Бывший премьер Винниченко уже через неделю напишет в своем дневнике: «...неужели мы, сами того не сознавая, не чувствуя, выступаем как контрреволюционеры? А что если народные комиссары правы, ведя Россию, вместе с Украиной, к социалистической революции?»

Петлюре не нравился нервный и самолюбивый премьер Голубович, способный оратор, но слабохарактерный человек, что уже развалил ведомства, которые возглавлял. Но выбирать солдату не приходилось.

Поздним вечером 19 января отряд Петлюры, приблизительно в 900 человек при 8 пушках, вошел в заснеженный, темный и испуганный город. В это же самое время к «Арсеналу» прибыл из провинции еще и Черноморский матросский украинский курень. На пути бойцы встречали десятки окоченевших трупов людей и лошадей, разоренные бандитами во время безвластия магазины... В большинстве районов восстание уже прекратилось, только у «Арсенала» и у железнодорожного вокзала рвались снаряды. Части Петлюры и «черноморцы» сменили уставшие за пять дней боев за «Арсенал» киевские подразделения и сразу бросились в наступление. Однако первая атака гайдамаков была отбита...

Киевские солдаты-республиканцы с удивлением вглядывались в петлюровских гайдамаков с «бритыми головами, с долгими черными осэлэдцами за ухом».

Приход под стены «Арсенала» петлюровцев вызвал настоящую панику среди защитников завода. Они ждали подкреплений, но только своих... Перешедшие было на сторону восставших солдаты украинского полка имени Хмельницкого покинули оборону «Арсенала» и сдались гайдамакам.

Арсенальцы к этому времени были сильно утомлены пятидневным круглосуточным боем, угнетены большими людскими потерями (около 250 человек) и тем, что заканчивались патроны, отсутствовала вода, электричество, медикаменты, разочарованы отсутствием обещанной большевиками подмоги... Руководители восстания в большинстве своем уже бежали с «Арсенала» через тайные подземные ходы, часть защитников разошлась по домам, видя бесперспективность и обреченность дальнейшего сопротивления. За стенами «Арсенала» остались только самые стойкие — до двухсот бойцов, усталые и израненные.

В киевских газетах за 20 января Петлюра обнаружил «Воззвание» нового эсеровского Совета министров УНР, которое призывало народ к сплочению против восставших. Новые «революционные» власти изумляли формулировками воззвания, в котором восставшие назывались «уголовными элементами», «разбойниками и погромщиками», «черносотенцами»... В газетах утверждалось, что 70% восставших — «злодеи и грабители». Это было неправдой, просто неумелой контрпропагандой, которая только вредила республиканским властям, ведь Красная гвардия формировалась преимущественно из киевских рабочих, из идеалистов, мечтавших о справедливом обществе.

21 января — последний день обороны «Арсенала». Утром этого дня было решено провести общую атаку завода. Семь пушек прямой наводкой стали стрелять по «Арсеналу», надеясь пробить толстенные крепостные стены. Наводил пушки сам бывший царский генерал-майор Василий Кирей (этот генерал в 1919 году перейдет в армию Деникина). В могучих стенах «Арсенала» артиллерией был сделан пролом, в который ринулись нападающие... С крыш соседних домов по арсенальцам ударило 15 пулеметов. Найдя снаряды для дымовых завес, петлюровцы обстреляли ими «Арсенал», и все стены его окутались дымом. Это дало возможность гайдамакам приблизиться к «Арсеналу», ринуться в атаку. О. Шпилинский вспоминал уже в эмиграции:

«Гайдамаки, вперед! — махая булавой, энергично кричал атаман Петлюра. — Атаман Волох, начинайте! Ну, гайдамаки, с Богом! Вперед знамя! Бейте еще, еще раз, не дайте дыму разойтись!»

Первую колонну атакующих завод в лоб — через главный корпус, — всего 400 штыков, возглавил сам атаман Петлюра, вторую колону, в 250 штыков, ввел в бой бывший царский полковник Петрив со стороны буерака, 3-я колонна поручика Блаватного, в 300 штыков, атаковала «Арсенал» с тыла. Около 6 часов вечера, уже в темноте, колонна Петлюры прорвалась на завод. Петлюра в солдатской шинели без знаков различия и с карабином наперевес бежал в цепи и практически ничем не отличался от рядового республиканца. После того как арсенальцы обнаружили ворвавшихся петлюровцев во дворе своего завода, они прекратили всякое сопротивление и добровольно сдали оружие.

Советская пропаганда трезвонила о страшных расстрелах и расправах над арсенальцами после взятия завода. Говорили о сотне расстрелянных, однако назвать фамилий жертв так и не смогли. Советским историкам нужно было только верить...

Как же было на самом деле? Действительно, уже после захвата «Арсенала» несколько десятков его защитников были убиты. Несколько десятков восставших не захотели сдаться и прятались в огромных подвалах завода, обстреливая спускавшихся туда петлюровцев. Эти героические инсургенты и были убиты или расстреляны в тех же подвалах. Но основная часть арсенальцев осталась в живых и была через несколько дней выпущена из заключения «красными» войсками, захватившими Киев.

Всех пленных арсенальцев собрали на большом дворе завода, сюда же притащили раненых защитников.

Пленных повели в военную тюрьму «Косой капонир», за два километра от «Арсенала». Вечером того же дня петлюровские соединения ушли из-под стен «Арсенала» на отдых.

Последний день штурма «Арсенала» стоил «петлюровцам» и арсенальцам до 70 человек убитыми и до 80 ранеными. Казалось, жертвы рабочих «Арсенала» были напрасны. Но арсенальцы шесть дней сдерживали у стен своего завода лучшие республиканские части, которые были так необходимы на подступах к Киеву. Восстание породило неуверенность и разочарованность во власти Центральной Рады, нейтрализовало часть ее полков, подготовило почву для штурма Киева воинством Муравьева. Восстание обескровило и обессилило части, вставшие на оборону Киева.

Следующий день прошел в борьбе с остатками восставших в районе вокзала, железнодорожных мастерских, Галицкой площади, Ботанического сада, где укрылось до 200 восставших при двух орудиях. Против железнодорожников-инсургентов снова был брошен Гайдамацкий Кош Слободской Украины в 280 бойцов с двумя орудиями и двумя броневиками. Атаман Петлюра повел часть наступавших в атаку на Галицкую площадь, а Омелько Волох старался выбить восставших из окопов в Ботаническом саду. Уже в десять утра колонны Петлюры и Волоха сломали оборону противника и «на его плечах» прорвались к вокзалу. Однако огонь бронепоезда восставших заставил петлюровцев на время остановить наступление, к тому же большевики подбили один из броневиков. Только к 14 часам вокзал был взят.

Вечером часть большевиков, узнав о падении «Арсенала» и видя бесперспективность дальнейшего сопротивления, разошлась по домам, и на позициях у железнодорожных мастерских осталось только человек сорок наиболее отчаянных. Ночью гайдамаки арестовали одного большевика, который, опасаясь расстрела, согласился вывести их в тыл восставших. При внезапном появлении гайдамаков с тыла оборонявшиеся разбежались, а 17 человек попали в плен. Не ставя в известность своего атамана, гайдамаки расстреляли всех пленных и большевика-предателя у памятника графу Бобринскому на Бибиковском бульваре, так и не доведя их до штаба. Этим расстрелом закончилось восстание в Киеве.