בסוף פברואר 1921 הוצב בראש וועדה מיוחדת לדיכוי מרד טמבוב. המרד החל עוד באוגוסט 1920 והחל להתרחב גם לאזורים סמוכים. לאחר כיבוש חצי האי קרים ודיכוי מרד קרונשטאדט, דיכוי המרד באזור טמבוב היה חשוב מאוד לממשל הסובייטי. סיום המלחמה עם פולין איפשר להעביר לאזור תגבורות משמעותיות. הפוליטביורו החליט לתת למיכאיל טוכאצ'בסקי חודש לדיכוי המרד. לעזרתו הועברו מפקדים בולטים כגריגורי קוטובסקי וירונים אובורביץ' וכ-100 אלף חיילים. אנטונוב-אובסייקנו ניהל מדיניות קשוחה במיוחד נגד הכפרים המורדים. בהתאם למסמכים שפורסמו בשנת 1989, עולה כי הוא אף אישר שימוש בגזים רעילים נגד המורדים שהסתתרו ביערות. ביולי 1921 הוא חזר למוסקבה ונתן דיווח מורחב על הפעולות שבוצעו ודרכים שיש לנקוט במידה ואירועים דומים יתרחשו בעתיד באזורים אחרים.