Вначале местные партийные и советские организации вели борьбу с антоновщиной недостаточно эффективно, и мятеж принял затяжной характер. ЦК РК П(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 по 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 РК П(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 лагерь 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 РК П(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.