Вначале местные партийные и советские организации вели борьбу с антоновщиной недостаточно эффективно, и мятеж принял затяжной характер. ЦК РКП (б) и лично В. И. Ленин неоднократно требовали от тамбовских властей скорейшей ликвидации бандитизма, развертывания политической работы среди населения; из центра в Тамбов посылались воинские части. 2 февраля 1921 г. Политбюро ЦК РКП (б) рассмотрело вопрос о событиях в Тамбовской губернии. Были приняты решения усилить политическое руководство в губернии, развернуть там работу с целью оторвать крестьян от антоновских банд, снизить объем продовольственной разверстки, взыскиваемой с крестьян Тамбовщины, послать в Тамбов полномочную комиссию ВЦИК во главе с В. А. Антоновым-Овсеенко и командировать для работы в Тамбовской губернии большую группу партработников.

12 февраля 1921 г. Центральная междуведомственная комиссия по борьбе с бандитизмом под председательством Ф. Э. Дзержинского постановила усилить Тамбовскую чрезвычайную комиссию но борьбе с контрреволюцией. Туда был командирован особоуполномоченный ВЧК Я. Б. Левин с группой чекистов, а начальником губчека назначен опытный чекист М. Д. Антонов.

Комиссия ВЦИК приступила к работе в Тамбове с 16 февраля 1921 г. На основании постановления Советского правительства крестьяне Тамбовщины были освобождены от дальнейшего выполнения плана продразверстки, в губернии разрешена свободная торговля хлебом. По решению X съезда РКП (б) Советское правительство объявило о полной отмене в стране продовольственной разверстки и замене ее продовольственным налогом. Комиссия ВЦИКа и местные организации развернули широкую разъяснительную работу среди крестьян. Объявили двухнедельник (с 21 марта по 5 апреля) добровольной явки с повинной крестьян, вовлеченных в антисоветские выступления: их освобождали от наказания за их прошлые преступные деяния. Все эти политические мероприятия положительно повлияли на крестьянские массы. Наметился явный перелом в их настроениях. В Борисоглебском уезде, например, явились с повинной около трех тысяч крестьян, ушедших из антоновских банд. Все добровольно явившиеся были освобождены от наказания.

Однако антоновские «активисты» продолжали бандитские действия. Теряя влияние среди крестьян, они стали терроризировать и насильно принуждать их участвовать в мятеже. 27 апреля 1921 г. Политбюро ЦК РКП (б), учитывая изменение настроений крестьянства и начинающееся разложение антоновских банд, поставило перед командованием Красной Армии задачу ликвидировать бандитизм в Тамбовской губернии в течение месяца. В пораженные антоновщиной районы прибыли дополнительные войска, командующим всеми вооруженными силами на Тамбовщине по предложению В. И. Ленина стал М. Н. Тухачевский, а его заместителем И. П. Уборевич. Среди направленных в Тамбовскую губернию войск была и отдельная кавалерийская бригада прославленного героя гражданской войны Г. И. Котовского.

Главный штаб Красной Армии и руководство ВЧК разработали оперативный план быстрого разгрома антоновских банд. Видное место в плане отводилось чекистским мероприятиям. Чекисты, действуя вместе с войсками, должны были вести разведку в антоновском лагере, в освобожденных районах вылавливать скрывающихся бандитов и содействовать восстановлению работы советских учреждений. Ставилась задача проникнуть в лагерь антоновцев, захватить вожаков движения. Исполнение этих мероприятий поручалось работникам Секретного отдела ВЧК, которым в то время руководил Т. П. Самсонов, и чекистам Тамбовской и Воронежской губерний. Для ведения разведывательной работы в банды были направлены специальные агенты и оперативные работники, среди которых особенно отличался Е. Ф. Муравьев. Под видом председателя Воронежского комитета и члена Центрального комитета левоэсеровской партии Петровича он проник в логово антоновцев, вошел в доверие к их главарям и, пробыв среди них полтора месяца (май — июнь 1921 г.), успешно выполнял задание.

Об интересных деталях чекистских операций впоследствии рассказал секретарь Тамбовского губкома РКП (б) Б. А. Васильев. «Осенью 1920 года в Тамбове, — писал он, — были ликвидированы два областных эсеровских комитета, которые политически руководили восстанием. После этого разгрома, по всем данным, в городе не было эсеровской организации… Между тем антоновский главный оперативный штаб и волостные повстанческие организации получали из Тамбова весьма точные сведения о передвижениях Красной Армии. Из Тамбова же приходили в деревню политические директивы повстанцам и призывы не падать духом, так как «помощь близка», «в Москве и Питере власть большевиков уже свергнута» и т. д. В целях обнаружения источника и авторов этих документов были сделаны по Тамбову изъятия политически подозрительного элемента. Они обнаружили… что ключ к разгадке на этот раз надо искать не среди эсеров или меньшевиков, а правее.

Искусными приемами, пользуясь эсерами, которые перешли на нашу сторону, Чека раскрыла «секрет». Оказалось, что фактическим руководителем главного оперативного штаба повстанческой армии был некий Федоров — бывший тамбовский присяжный поверенный, бывший домовладелец и землевладелец, устроившийся под видом представителя Петроградской конторы по закупке лошадей… Федоров чрезвычайно искусно конспирировал. Он имел несколько квартир, держал связь с совработниками, изображал из себя самого последнего спекулянта, которому в высокой степени наплевать на все политические вопросы. Спекулянтом Федоров слыл недаром. Он широко спекулировал золотом и драгоценными камнями, а в последнее время еще и лошадьми, которые бандиты сдавали ему на комиссию для продажи. От бандитов Федоров тщательно скрывал свою настоящую физиономию. Для них он был «товарищ Горский», представитель центрального эсеровского комитета».

Чтобы ликвидировать шпионскую деятельность Д. Ф. Федорова, чекисты провели сложную операцию. Выступая под видом антоновцев, они вошли в доверие к Федорову и направили его в Москву для переговоров о совместной деятельности антоновцев с руководством некоей антисоветской «московской организации», могущей помочь антоновскому движению. Федорову дали «явку» в Москве… и он попал в чекистскую «ловушку»: в качестве «руководящего деятеля московской организации» в Москве его встретил начальник Секретного отдела ВЧК Т. П. Самсонов.

Федоров подробно рассказал Самсонову о состоянии и планах антоновского движения, после чего был арестован. Разоблаченный шпион вынужден был сознаться в своей преступной деятельности. Тогда-то и выяснилось, что он исподволь, втайне направлял антоновское движение в кадетское русло и пытался в этих целях связаться с центром кадетской партии через известного ему члена ЦК партии кадетов, бывшего крупного тамбовского землевладельца Н. М. Кишкина, проживавшего в Москве и работавшего в то время во Всероссийском комитете помощи голодающим.

В чекистскую «ловушку» попал и начальник контрразведки антоновского штаба Н. Я. Герасев («Донской»). По указанию чекистского агента Е. Ф. Муравьева Герасев приехал в Москву, чтобы принять участие в оперативном совещании «штаба московских боевых сил» и в подготовке «всероссийского съезда повстанческих отрядов». И опять, как и в случае с Федоровым, Герасев попал на конспиративную квартиру ВЧК. Его встретил все тот же Т. П. Самсонов и его сотрудники. Они сумели получить от Герасева обстоятельный доклад о положении дел у антоновцев, о их намерениях и арестовали его.

Наконец, «член ЦК левоэсеровской партии Петрович» провел собрание антоновцев для выбора делегатов на «всероссийский съезд» повстанцев в Москве. «Делегатами» стали один из военных руководителей антоновцев, бывший штабс-капитан Павел Эктов и «начальник политотдела» Иван Ишин. Кроме того, с ними должны были выехать «для получения в Туле оружия» двадцать отборных бандитов и Е. Ф. Муравьев. Их встретили в Москве чекисты под руководством помощника начальника Секретного отдела ВЧК Т. Д. Дерибаса. Антоновцы многое рассказали «членам штаба» контрреволюционной организации (а на самом деле чекистам) и были арестованы.