Brzy po vypuknutí první světové války Antonov-Ovsejenko proti tomuto konfliktu protestoval. Roku 1917 se připojil k bolševikům, s falešným pasem se v roce 1917 vrátil do Ruska a převzal významnou úlohu v říjnové revoluci, kdy zahájil výstřelem z křižníku Aurora útok na Zimní palác a nechal zatknout členy prozatímní vlády.