Antónov-Ovséyenko, en su calidad de Secretario del Comité Militar Revolucionario de Petrogrado, tomó parte activa en la insurrección armada de octubre, en Petrogrado. Encabezó a los Guardias Rojos, a los soldados revolucionarios y a los marineros durante la toma del Palacio de Invierno, que no ofreció resistencia para cuando Antónov-Ovséyenko entró en el edificio, arrestando allí al Gobierno Provisional Ruso. Logró contener la rabia de los soldados ante la fuga de Kerensky y proteger a los detenidos hasta su traslado a la Fortaleza de San Pedro y San Pablo de ser linchados en dos ocasiones.