В мае 1917 года, получив амнистию от Временного правительства, вернулся в Россию. Он сразу же вступил в партию большевиков и стал заниматься пропагандой среди военных.

Октябрь 1917 года был звездным часом Антонова-Овсеенко. Военные познания и энергия выдвинули его в число главных действующих лиц Октябрьской революции.

Антонов-Овсеенко прошел в Учредительное собрание от Северного фронта. Он был избран во Всероссийское бюро военных организаций и назначен комиссаром при финляндском генерал-губернаторе.

В октябре был образован Петроградский военно-революционный комитет, которому было поручено готовить восстание. Председателем утвердили левого эсера Павла Евгеньевича Лазимира, заместителем председателя — видного большевика Николая Ивановича Подвойского, секретарем — Антонова- Овсеенко, как военного человека.

В середине октября Антонов-Овсеенко появился в ЦК социал-демократии Латышского края для переговоров относительно роли латышей в перевороте. Латыши полностью одобрили идею восстания. Латышские части станут своего рода гвардией большевиков.

За несколько дней до революции Леонид Борисович Красин (соратник Ленина и будущий нарком в те месяцы довольно скептически относился к большевикам) в письме жене, остававшейся за границей, живописно обрисовал ситуацию в Петрограде:

«Питер поражает прежде всего, конечно, грязью и затем какой-то отрешенностью, запустением, жалкой выморочностью. Улицы и тротуары залиты жидкой грязью, мостовые полуразрушены, сломанные там и сям решетки, перила, водопроводные тумбы или люки — остаются неисправленными, стекла немыты, много пустующих заколоченных лавчонок (хлебных, овощных) — все в целом имеет вид города если не оставленного жителями, то во всяком случае населенного пришельцами, настолько мало заинтересованными в каком-либо благоустройстве, что они не считают нужным делать самого элементарного ремонта.

Улицы заметно опустели: не то убыло жителя (статистика будто бы говорит противное), не то он сидит дома из-за бесцельности покидать жилье (веселого все равно ничего не увидит) или же из-за отсутствия средств передвижения и даже калош.

Меньше стало даже солдат, хотя все еще предостаточно, и идиотские физиономии плюющих семечками «революционеров» по-прежнему украшают пейзаж.

По погоде настроение у толпы более кислое и злое, чем летом, да и в политике идет какая-то новая анархистско-погромная волна, перед которой, кажется, даже бесшабашные большевики начинают останавливаться в раздумье…

Пожалуй, если бы Корнилов не поторопился, его выступление могло бы найти почву. Сейчас испуганные обыватели с трепетом ждут выступления большевиков, но преобладающее мнение, что у них ничего не выйдет или выйдет решительный и уже непоправимый провал.

Еда пока что есть, хотя мало и цены ужасные…»

Все знали, что большевики готовятся взять власть, но никто не решился им помешать.

25 октября Антонов-Овсеенко руководил захватом Зимнего дворца и арестом Временного правительства.

«Разумеется, трудно поверить, — вспоминал известный художник Юрий Анненков, — что низкорослый, патлатый, очкастый Антонов-Овсеенко, бывший офицер царской армии, находился в этот день одновременно: в Смольном институте, в Петропавловской крепости, у здания городского телефона, у главного почтамта, на крейсере «Аврора», на Дворцовой площади, на отдаленной набережной при высадке кронштадтских матросов, на минном заградителе «Амур», в Зимнем дворце при аресте министров Временного правительства, в толпе на Троицком мосту, оберегая их от самосуда… Но действительно было именно так…

В молочном тумане над Невой бледнел силуэт «Авроры», едва дымя трубами. С Николаевского моста торопливо разбегались последние юнкера, защищавшие Временное правительство. Уже опустилась зябкая, истекавшая мокрым снегом ночь, когда ухнули холостые выстрелы с «Авроры». Это был финальный сигнал.

Я присутствовал на Дворцовой площади в качестве неисправимого ротозея («живописец живет глазами»). Добровольческий женский батальон, преграждавший подступ к Зимнему дворцу, укрывшийся за дровяной баррикадой, был разбит. Дрова разлетелись во все стороны. Я видел, как из дворца выводили на площадь министров, как прикладами били до полусмерти обезоруженных девушек и оставшихся возле них юнкеров…»

Специальная комиссия Петроградской городской думы установила, что трое женщин-солдаток при штурме Зимнего были изнасилованы и одна покончила жизнь самоубийством.

В ночь на 25 октября 1917 года весь состав ЦК партии большевиков, в том числе Ленин, ночевал в комнате № 14 Смольного дворца, прямо на полу. По воспоминаниям Андрея Сергеевича Бубнова, члена Военно-революционного комитета, «Ильич очень торопил с взятием Зимнего и ругался весьма здорово, когда не было сообщений о ходе наступления».

«В 10-й комнате, на верхнем этаже, шло беспрерывное заседание Военно-революционного комитета, — писал американец Джон Рид. — Приходили: Подвойский, худой, бородатый штатский человек, в мозгу которого, созревали оперативные планы восстания; Антонов, небритый… шатающийся от бессонницы, Крыленко, коренастый, широколицый солдат с постоянной улыбкой, оживленной жестикуляцией и резкой речью; Дыбенко, огромный бородатый матрос со спокойным лицом. Таковы были люди этой битвы за власть Советов и грядущих битв».

«Громадный город как бы вымер, — вспоминал будущий главнокомандующий Красной армией Николай Васильевич Крыленко. — Ни души на улицах. Иногда лишь гремели, с грохотом прокатываясь вдоль Невского, броневые автомобили и, громыхая, подтягивались к Зимнему дворцу трехдюймовые орудия…

Ударный женский батальон к вечеру сдался; жалкая горсть юнкеров, защищавшая подступы к Зимнему дворцу, забаррикадировалась за поленницами сложенных у ворот дров и с полной безнадежностью ждала решительной атаки. До самой поздней ночи никаких активных действий не предпринималось. К двенадцати же часам все было кончено…

Правительство Керенского пало, так как за ним не оказалось никакой реальной силы. Ни один полк не двинулся на его защиту, и, наоборот, все полки Петроградского гарнизона повиновались приказаниям комиссаров Военно-революционного комитета Петроградского Совета».

На улицах Петрограда остались только отряды красногвардейцев и патрули войск, присоединившихся к большевикам.

Леонид Красин писал семье через неделю после революции:

«Воображаю, сколько всякой чепухи сообщалось в ваших газетах за эту последнюю неделю! Вкратце дело обстояло так.

Временное правительство и Совет Республики за последние недели проявили какой-то такой паралич всякой деятельности и воли, что у меня уже возникал вопрос: да не политика ли это и не собирается ли Керенский и компания дать большевикам, так сказать, зарваться и затем одним ударом с ними покончить.

В действительности покончили с ним большевики нападением на Зимний дворец, в котором в последний момент не было иной защиты, кроме юнкеров и смехотворного женского батальона. Весь остальной гарнизон, подвергавшийся в течение трех недель безудержному воздействию большевиков, отказался выступать на защиту Временного правительства, и все оно к вечеру 25 октября оказалось в казематах Петропавловки, кроме Керенского, который бежал в Гатчину…