В 1936 году он женился в третий раз. Его женой стала Софья Левина (по мужу Тиханова). Она была младше его на 15 (по другим данным, на 11) лет и работала секретарем полпредства в Чехословакии. У нее была маленькая дочь Валентина. Ради Антонова она развелась с мужем, дипломатическим работником. «В отношениях» с Софьей Тихановой он находился уже почти десять лет, но только в 1936 году они оформили брак официально.
Дети от его прежней жены — Вера, Антон и Галина — воспитывались в детских домах. Как вспоминала Галина Антонова-Овсеенко, он навещал их два раза в год. Именно тогда, в 1936 году, он, в ответ на просьбу Галины рассказать, где ее мать, написал записку: «Я не знаю и не хочу знать адреса твоей матери. Это чуждый и вредный советской власти человек. Ты не права, Галя, когда пишешь: «А все же она мне мать». Не всякую мать можно добром поминать». Уже потом Галина узнала, что Розалия Канцельсон пыталась уехать из СССР, но ее не выпустили. Тогда она попробовала бежать морем, вместе с контрабандистами. Но их поймали, и Розалия оказалась в тюрьме и лагере. Там, по словам Галины, она покончила с собой. Случилось это в том же 1936 году. Знал ли о судьбе Розалии Антонов? И если знал, что чувствовал при этом?
Прокурором РСФСР Антонов-Овсеенко оставался чуть более двух лет. С 19 по 24 августа 1936 года в Москве проходил процесс по делу «Антисоветского объединенного троцкистско-зиновьевского центра» — первый из «больших» московских показательных процессов. Главными подсудимыми были Зиновьев и Каменев, а также другие видные деятели бывшей «объединенной оппозиции». Их обвиняли в том, что по приказу Троцкого они организовали террористический центр, подготовили и провели убийство 1 декабря 1934 года руководителя Ленинградской парторганизации, члена Политбюро, Оргбюро и секретаря ЦК ВКП(б) Сергея Кирова, собирались убить Сталина, Ворошилова, Кагановича и др.
Накануне и во время процесса газеты заполнились письмами, статьями и резолюциями с осуждениями «троцкистско-зиновьевской банды». Их заголовки: «Стереть с лица земли!», «К расстрелу!», «Раздавить гадину!», «Уничтожить подлых убийц!» говорили сами за себя. Отметился в этой кампании и Антонов-Овсеенко. 24 августа, в последний день суда, «Известия» поместили его статью «Добить до конца», в которой он требовал расправы над своими недавними товарищами. «Троцкистско-зиновьевская банда, — писал Антонов, — особый отряд фашистских диверсантов с особо злодейским заданием, особо подлой маскировкой. Вдвойне опасный отряд классового врага. Их надо стереть с лица земли». А дальше каялся сам — за свои былые отношения с Троцким.
Все 16 подсудимых были расстреляны.
В сентябре 1936 года Антонов был назначен генеральным консулом в Барселоне. Это была весьма важная должность. В Испании в июле 1936 года началась гражданская война. Против левого республиканского правительства подняли мятеж военные во главе с генералом Франсиско Франко. Франкистам начали помогать Италия и Германия. Советский Союз — республиканцам. На помощь к ним ехали также добровольцы-интернационалисты из различных стран.
Барселона (столица автономной провинции Каталония) была ключевым пунктом для этой помощи — через нее проходило большинство военных грузов из СССР, сюда же прибывали многие интербригадовцы. И вообще Каталония считалась одной из главных «крепостей» Республики. Но, вероятно, была и другая причина, по которой Сталин отправил в Барселону именно Антонова. Троцкий в издававшемся за границей «Бюллетене оппозиции» ехидно писал: «Бывший революционер Антонов-Овсеенко, покаявшийся в 1927 году в своих оппозиционных грехах, заявил о полной готовности «собственными руками душить троцкистов». Этого субъекта немедленно отправили под маской консула в Барселону и указали, кого именно душить. Такие ответственные поручения вершатся не иначе, как по прямому поручению «генерального секретаря».
Дело в том, что на стороне Республики сражались разные люди — от либералов до анархистов. Но именно в Каталонии, еще в 1934 году объявившей себя «независимым штатом Федеральной Испанской республики» с собственным правительством, сложилась наиболее любопытная ситуация. Огромное влияние на нее оказывали местные анархисты и «левые коммунисты» из Рабочей партии марксистского единства (ПОУМ). В Москве ее считали троцкистской, хотя с Троцким у партии было немало разногласий.