В начале 1918 года добровольно вступил в Красную армию. Занимал должности начальника Мобилизационного управления Всероглавштаба (1918—1919), начальника штаба (апрель—июль 1919) и командующего (июль 1919) Восточным фронтом. Начальник Полевого штаба Республики (июль 1919 — февраль 1921). Участвовал в разработке и проведении операций по разгрому войск А. В. Колчака, А. И. Деникина и Н. Н. Юденича, считается одним из творцов Орловско-Кромской (Орловско-Курской) операции 1919 года, в ходе которой было остановлено наступление Деникина на Москву. Все время Гражданской войны Лебедев работал в крайне напряженном графике — без выходных, домой приезжал к четырём часам утра.