Антонову-Овсеенко предложили объявить вооруженную борьбу на Украине прекращенной. А в это время союзники большевиков левые эсеры стали призывать к «революционной войне» против Германии. Нарком понимал, что воевать пока нечем, со своими из белого стана разобраться бы: Кубань в огне, Кумуч на Волге, атаман Семенов в Забайкалье.
В Москве у Владимира Александровича сразу нашлось много дел. 5 июля на 5-м Всероссийском съезде Советов фракция левых эсеров (352 человека) выразила недоверие советскому правительству, но большинство участников съезда эту резолюцию не поддержало. На следующий день левые эсеры Я. Г. Блюмкин и Н. А. Андреев с подложным мандатом ВЧК явились в посольство Германии и убили посла В. Мирбаха, после чего скрылись в штабе отряда при ВЧК, которым командовал левый эсер Д. И. Попов.
Там уже находились члены ЦК и другие лидеры партии левых социалистов-революционеров – М. А. Спиридонова, Ю. В. Саблин, Б. Д. Камков, В. А. Карелин, П. П. Прошьян, В. А. Александрович (заместитель председателя ВЧК). Большинство из них Антонов-Овсеенко знал лично. Мятежники арестовали председателя ВЧК Ф. Э. Дзержинского, прибывшего в штаб отряда Попова с требованием выдать убийц германского посла. Затем был арестован М. И. Лацис, назначенный временным председателем ВЧК, председатель Моссовета П. Г. Смидович, ряд видных большевиков.
В ночь на 7 июля мятежные левые эсеры (около 1800 человек, 80 сабель, 6–8 орудий, 4 броневика, 48 пулеметов) под руководством Попова, Саблина и Александровича начали военные действия. Был занят центральный телеграф и призваны части столичного гарнизона присоединиться к ним, но те не «колыхнулись».
Подавлением левоэсеровского мятежа руководили председатель Высшей военной инспекции Н. И. Подвойский и начальник Латышской стрелковой дивизии И. И. Вацетис. Вечером 6-го числа была арестована фракция левых эсеров съезда Советов во главе с Марией Спиридоновой. Ударной силой большевиков по ликвидации выступления своих, уже бывших, союзников стали красные латыши.
В 2 часа ночи 7 июля позиции мятежников были окружены советскими войсками, которые в 6 утра начали наступление. Левых эсеров обстреляли из пушек после того, как они отказались сложить оружие. Около 300 человек сдалось в плен. Остальные рассеялись, их преследовали. На следующий день 13 мятежников, в том числе Александрович, задержанные с оружием в руках, были расстреляны по постановлению ВЧК.
Вслед за выступлением левых эсеров в Москве, на Восточном фронте произошел так называемый мятеж Муравьева. Вооруженные столкновения имели место при разоружении боевых дружин левых эсеров в Петрограде, Витебске, Владимире, Орше и других городах.
Антонов-Овсеенко не был среди руководителей подавления левоэсеровского мятежа в самой Москве. Ему поручалось преследование вырвавшихся из столицы отряды мятежников, которые отступали в направлении города Владимир. Их вскоре настигли в 30 верстах от Москвы. Были захвачены пленные, а в числе трофеев значились
