В июне 1921 года продолжились широкомасштабные операции Красной армии, в ходе которых силы повстанцев были разгромлены подвижными группами Уборевича и Какурина под станицей Урюпинской и под Сердобском. В боях 2–9 июня автобронеотрядом и летучими красными отрядами была разгромлена 2-я армия Антонова, а в середине июня — 1-я армия Богуславского. Против партизан Богуславского красные применили новую тактику, когда на беспорядочные цепи плохо вооруженных крестьян были направлены шесть броневиков и десять обшитых железными листами грузовых машин с пулеметами. Огонь из 16 пулеметов буквально выкашивал цепи повстанцев.

В июньских боях погибло более двух тысяч повстанцев. Только за период с 6 мая по 14 июня по Тамбовской губернии было задержано более семи тысяч дезертиров, захвачено в плен и добровольно сдалось 3672 повстанца, убито — 3783 антоновца. В июле Партизанская армия, потеряв еще пять тысяч убитыми, ранеными и пленными, была полностью разгромлена. В течение всего восстания погибло до 20 тысяч повстанцев, в том числе 80 главных организаторов восстания. Около пяти тысяч антоновцев разбежалось по домам.

Летом 1921 года командование красных приказало немедленно ликвидировать крупный отряд антоновского атамана Ивана Матюхина, насчитывавшего до 500 бойцов. Матюхин был участником Первой мировой, бывшим вахмистром. Большевики опасались, что он может возглавить все движение тамбовских повстанцев. В чекистских сводках отмечалась его огромная сила, властолюбие, говорилось о нем как о «конкуренте Антонова». Ликвидацию Матюхина было поручено провести кавбригаде Котовского. 1-й эскадрон этой бригады, под видом прорвавшегося с Дона повстанческого отряда атамана Фролова, внедрился в повстанческое объединение Матюхина.

20 июля Котовский и перебежчик Эктов организовали засаду под видом «съезда повстанцев». На этом «съезде» красные истребили членов штаба Матюхина, но самому атаману удалось скрыться. Хотя Котовский отправил в центр телеграмму о том, что Матюхин «сожжен в амбаре», а 200 повстанцев уничтожено, при потерях красных в четыре бойца, атаман продолжал борьбу. К сентябрю 1921 года Матюхин вновь руководил отрядом в 100–120 повстанцев. Но в октябре того же года он был убит засланными в его отряд чекистами. Летом 1921 года были также убиты Плужников и атаман Карась.

В начале июля 1921 года атаман Антонов издал приказ, согласно которому боевым отрядам повстанцев предлагалось разделиться на небольшие группы и скрыться в лесах или разойтись по домам. Восстание распалось на ряд мелких, изолированных очагов. К концу июля в отрядах антоновцев осталось не более 1500 бойцов. Тогда же, после рапорта о «полной ликвидации антоновщины», с Тамбовщины были отозваны Антонов-Овсеенко и Тухачевский.

В августе 1921 года чекисты узнали, что Антонов с группой бойцов скрывается в лесу у села Рамза. Лес был оцеплен и прочесан силами кавдивизиона котовцев, роты московских курсантов, но сам Антонов обнаружен не был. Когда к месту, где прятался атаман, стала приближаться цепь красноармейцев, Антонов приказал шестерым повстанцам пойти навстречу оцеплению и сдаться. Расстрелять их, как добровольно сдавшихся, не должны были, а об атамане они обещали молчать. Арестовав шестерых антоновцев, красные сняли оцепление, а Антонов благополучно вырвался «на оперативный простор».

На осень и зиму 1921/22 года на территории Тамбовской губернии большевиками были оставлены две дивизии и отдельная бригада. Власти поделили всю губернию на шесть боеучастков. Самыми неспокойными были 2-й и 3-й участки, где еще действовали отряды атаманов Протопопова, Шохина, Комара, Бобыля, Гришина, Шамова, Птичьего, Канищева, Спиридонова, Миронова. Наиболее активной из них была бригада повстанцев под общим руководством атамана Александра Протопопова.

Главный штаб повстанческих войск Тамбовской губернии был по приказу Антонова расформирован только в декабре 1921 года. Тогда же братья Антоновы ушли в подполье — проживали в лесах, в апреле 1922 года они появились в лесу в районе села Нижний Шибряй Борисоглебского уезда. Еще в 1919-м Александр Антонов скрывался в этом селе от красных под именем Михаил Наумов. В следующем месяце он заболел малярией и временно прекратил организаторскую деятельность.

В селе Нижний Шибряй у Антоновых были помощники: лесник Ломакин предоставил братьям лесные сторожки, бывший член РКП(б) Немтинов осуществлял связь с повстанческим подпольем, председатель сельсовета Касьянов снабжал их поддельными документами.

В июне 1922 года чекисты выследили временное убежище Антонова в селе Нижний Шибряй. Александр и Дмитрий Антоновы скрывались в лесной избушке возле этого села, но через некоторое время они осмелели и стали наведываться в дом на окраине села, где проживала одинокая женщина — малоимущая и малограмотная вдова Наталья Катасонова, забеременевшая от атамана Антонова.

Деревянный, крытый соломой дом Катасоновой ничем не отличался от других домов деревни, но кусты и густой бурьян скрывали тайную тропку в лес, по которой в село незаметно приходили Антоновы.

24 июня дом Катасоновой был окружен группой тамбовских чекистов. В операции среди прочих участвовал Яков Санфиров — бывший командир Особого полка Антонова, добровольно сдавшийся красным вместе с полком в мае 1921 года. Санфиров был участником Первой мировой, георгиевским кавалером, дослужился до прапорщика. С июня 1921 года его «амнистированный» отряд использовался как истребительное подразделение в борьбе против повстанцев атамана Уткина.

О последних минутах жизни атамана Антонова рассказывал в своих воспоминаниях чекист М. Покалюхин: «24 июня, в середине дня, я получил сведения о том, что Антоновы пришли к Катасоновой и пробудут у нее дотемна, а потом опять уйдут в лес... Нас было семь человек. Вооружение — наганы, несколько карабинов и граната «мильс». Мы замаскировались под плотников: карабины завернули в мешки, наганы спрятали под рубахи, в руки взяли топоры и пилы... я пригласил начальника местной милиции Кунакова сопровождать нас. Он должен был идти в стороне от нас и, в случае какой-нибудь задержки, вмешаться, чтобы помочь нам продолжать путь. Время уже клонилось к вечеру, когда мы подошли к дому Катасоновой... Я сильно постучал в дверь вторично. Она несколько приоткрылась, и через образовавшуюся щель два раза выстрелили из браунинга. Дверь захлопнулась и снова была заперта. Я приказал стоявшему около меня Санфирову метнуть в окно гранату. Брошенная «мильс» попала в оконный переплет, отскочила в нашу сторону, но мы успели скрыться за угол дома, и взрыв не причинил нам вреда. Антоновы открыли из окон огонь по нашим постам из своих маузеров. Они поняли, что окружены. Время не позволяло нам медлить (надвигалась темнота), и я приказал поджечь соломенную крышу дома. Пламя охватило крышу. Антоновы вели непрерывный огонь по нашим постам, а мы, обстреливая окна дома, предлагали им сдаться. Тем временем крыша рухнула, дым стал проникать через потолок в дом. Антоновы должны были вот-вот выскочить наружу. Я перебегал от одного поста: к другому, наказывая смотреть в оба. Но вот мне подают сигнал, что один из постов оказался оголенным: ретировался неизвестно куда начальник милиции Кунаков...

Чтобы не оставить этот пост открытым, я поспешил к нему через двор кулака Иванова. Только я выбежал из калитки, как увидел, что Антоновы уже на улице, стоят рядом и с руки, с локтя стреляют по нашему посту, пробивая путь к бегству. Я обстрелял Антоновых из своего пистолета «кольт», и они направили огонь в мою сторону. Они оказались между мной и нашими постами, так что последние не могли продолжать стрельбу, рискуя попасть в меня. Бандиты были вооружены лучше, чем я: у них было два маузера и два браунинга, а у меня только один «кольт», поэтому мне пришлось податься обратно во двор Иванова. Антоновы последовали за мной, но тут на помощь мне подоспели сперва Ярцев, а потом и Санфиров, и мы прижали бандитов на задворках. И вот наша пуля угодила Антонову в подбородок. Получив легкое ранение, Антонов, а за ним и его брат перемахнули через забор двора и, без обуви, в одних шерстяных носках, бросились бежать огородами в сторону густого конопляника, к лесу. Момент был очень опасным — бандиты были на пути к спасению. Мы пересекли им путь, и между нами снова завязалась перестрелка. Антоновы упали оба сразу, как по команде. Мне показалось даже, что они сделали это для того, чтобы подпустить нас ближе и бить в упор. Но мои опасения оказались напрасными. Антоновы были убиты».