Октябрьская революция — одна из ярчайших страниц биографии В. А. Антонова-Овсеенко. Именно ему совместно с Н. И. Подвойским и Г. И. Чудновским было поручено захватить Зимний дворец и арестовать Временное правительство.

На II Всероссийском съезде Советов В. А. Антонов-Овсеенко совместно с прапорщиком Н. В. Крыленко и матросом П. Е. Дыбенко (председателем Центробалта) был введен в Совнарком членом коллегии народного комиссариата по военным и морским делам. Тогда же его назначают командующим Петроградским военным округом. Однако уже 6 декабря он направляется командовать армией на Украину, где красногвардейцы вели ожесточенную борьбу с войсками атамана Каледина и Центральной рады. С марта по май 1918 года он занимал должность командующего советскими войсками Юга России. Наряду с этим Антонов-Овсеенко выполнял обязанности члена Реввоенсовета Республики. В сентябре — начале ноября того же года он командовал 2-й и 3-й армиями, в ноябре — декабре — Курской группой, а в январе — июне 1919 года — Украинским фронтом. В июле 1919 года В. А. Антонов-Овсеенко был отозван с фронта и направлен уполномоченным ВЦИК на борьбу с голодом вначале в Витебскую, а затем Тамбовскую губернии. В последующие несколько лет Антонов-Овсеенко почти беспрерывно перебрасывался с одной должности на другую. В апреле 1920 года он — заместитель председателя главкомтруда и член коллегии Наркомтруда; с ноября 1920 по январь 1921 года — член коллегии Наркомата внутренних дел и заместителем Председателя Малого Совнаркома; с середины января по февраль 1921 года — уполномоченный ВЦИК по Пермской губернии (председатель Совета, губкома и губполитпросвета); в феврале — июле 1921 года — вновь в Тамбовской губернии, но на этот раз в качестве представителя ВЦИКа по ликвидации бандитизма. В октябре 1921 года В. А. Антонова-Овсеенко направляют на борьбу с голодом в Самару председателем губернского исполкома.

В октябре 1922 года он становится начальником Политуправления РККА и членом РВС Республики. На этой должности оставался до января 1924 года. Снят был за то, что открыто примкнул к оппозиции. Затем его перевели в систему Народного комиссариата иностранных дел. С этого времени, вплоть до назначения на пост прокурора республики, В. А. Антонов-Овсеенко в течение более чем 10 лет выполнял ответственные дипломатические поручения в Чехословакии, Литве и Польше.

25 мая 1934 года В. А. Антонов-Овсеенко стал прокурором республики. Его приход в прокуратуру совпал с активно начавшейся работой по ее централизации. В Российской Федерации эта тенденция проявилась особенно четко. Управление прокуратуры республики, хотя формально еще и входило в систему Наркомюста, однако уже все явственнее проявляло свою самостоятельность и зависело лишь от Прокуратуры Союза ССР.

Владимир Александрович не был юристом, никогда не служил в каких-либо органах правопорядка. С работой прокуратуры и суда он был знаком лишь исходя из своего опыта политического арестанта царских тюрем. И тем не менее отсутствие профессиональных навыков не помешало ему сразу же активно включиться в работу. Помог большой жизненный опыт революционера, военачальника, дипломата.

В то время вся деятельность органов прокуратуры (как и других центральных учреждений) направлялась мощной рукой Совнаркома СССР и ЦК ВКП(б), которые принимали основополагающие решения по вопросам государственного, хозяйственного и партийного строительства. Отступления от генерального курса считались недопустимыми, пресекались и карались. Стержневым для органов прокуратуры было, конечно, постановление ЦИК СССР, СНК СССР и ЦК ВКП(б) «О революционной законности». Поэтому В. А. Антонов-Овсеенко как прокурор республики стремился четко и твердо проводить его в жизнь.

В личном общении он был исключительно простым и доступным человеком. Прокурор А. Красносельский вспоминал: «Сотрудники заходили в кабинет Владимира Александровича в любое время дня, как к своему старшему товарищу».