Во время выступления Керенского — Краснова Антонов-Овсеенко был членом штаба Петроградского военного округа и помощником командующего войсками военного округа. 28 октября 1917 года, во время юнкерского восстания, был взят в заложники юнкерами, которые намеревались обменять его на пятьдесят своих товарищей, захваченных в плен сторонниками советской власти. На следующий день был освобождён революционными матросами при посредничестве американского корреспондента А. Р. Вильямса.