Весной 1921 года чекисты разработали план уничтожения лидеров тамбовских повстанцев и прежде всего Антонова. В штаб атамана проник агент ЧК, бывший эсер Евдоким Муравьев, который убедил лидеров восстания, что он является главой ревкома всех партизанских отрядов России. Муравьев предлагал Антонову тайно посетить повстанческий центр (якобы находившийся в Москве) и тайный Всероссийский съезд повстанческих армий. Агент расписал перед тамбовцами силу московского подполья и предложил Антонову одобрить план захвата Кремля «мобильными отрядами» повстанцев, в том числе и тамбовскими.
После этого Муравьев был допущен до инспектирования армии Антонова и разъезжал по Тамбовскому краю в сопровождении Ишина и Василия Матюхина (брата повстанческого атамана Ивана Матюхина), собирая информацию о силах повстанцев. Чекист сумел заманить в Москву два десятка антоновцев во главе с Ишиным, Герасевым и Эктовым (последний был главой оперативного штаба антоновского восстания). Сам Антонов тогда был ранен в бою и от поездки в Москву отказался, а все тамбовские «визитеры» на «конспиративной квартире» были арестованы чекистами. После операции Муравьева у командования Красной армии появились исчерпывающие сведения об армии Антонова, его подполье и базовых районах.
Пленные антоновцы были расстреляны, за исключением бывшего офицера Павла Эктова, который активно сотрудничал с ЧК. Он был использован чекистами в ликвидации атамана Матюхина, когда они, во время уничтожения повстанческого атамана Матюхина, «действовали в паре» с Григорием Котовским.
Антонов-Овсеенко и Тухачевский утвердили план быстрого и полного разгрома антоновщины. Была использована стратегия полной и жестокой оккупации повстанческих местностей, блокирования базовых районов повстанцев. Оккупационная система предполагала создание сети концентрационных лагерей на Тамбовщине, где содержались десятки тысяч членов семей повстанцев, зажиточных крестьян, которые были взяты в заложники. «Без расстрелов ничего не получается. Расстрелы в одном селении на другое не действуют, пока в них не будет проведена такая же мера», — сетовали красные каратели. За укрывательство «бандитов» и оружия следовал немедленный расстрел. Приказ № 171 вводил расстрелы заложников в «бандитских» селах, до полного подчинения и выдачи «бандитов». Антоновцы в качестве ответной меры брали в заложники семьи коммунистов и советских служащих, уничтожали пленных коммунистов.
В начале мая 1921 года в Тамбовскую губернию были переброшены 10-я дивизия, две стрелковые и две кавалерийские бригады. Общая численность «армии по борьбе с бандитизмом» достигла 60 тысяч человек, на ее вооружении состояли до 800 пулеметов, более 100 орудий, 21 бронемашина, 12 бронепоездов, 18 аэропланов. Аэропланы предоставляли информацию о движении сил противника, бомбили их колонны и осуществляли штурмовые налеты с использованием пулеметов. Подобной техники у повстанцев не было, треть бойцов «Народной армии» не имела нормального вооружения, крестьяне, как уже говорилось, нередко шли на пулеметы с вилами и топорами, а те, кто имел стрелковое оружие, постоянно испытывали недостаток в патронах. Несмотря на это, антоновцы разгромили отряд кавкурсов, кавдивизион и автоотряд, захватив 15 пулеметов и три машины, уничтожив около сотни бойцов противника.
По приказу Тухачевского против повстанцев были применены отравляющие вещества — снаряды с хлором. В приказе Тухачевского говорилось: «Леса, где прячутся бандиты, очистить ядовитыми удушливыми газами, точно рассчитывать, чтобы облако удушливых газов распространялось полностью по всему лесу, уничтожая все, что в нем пряталось». Артобстрелу отравляющими снарядами подвергся остров у села Кипец, который оборонял отряд повстанцев, село Паревка.
Для борьбы с полками Антонова Михаил Тухачевский выделил «летучие отряды», составленные из конницы, броневиков и автомобильных подразделений, которые должны были преследовать основные части антоновцев. Все оставшиеся силы он использовал для оккупации базовых селений.
В начале апреля 1921 года был объявлен «Двухнедельник добровольной явки бандитов». Отмена продразверстки, наступление весенней страды, усиление репресий против семей повстанцев толкали антоновцев на сдачу по амнистии. Весной–летом 1921 года по амнистии добровольно явилось до шести тысяч повстанцев. Когда крестьяне узнали о введении нэпа, они сначала не доверяли государству, посчитав это введение очередной уловкой. Сбор продразверстки по губернии весной только усилил эти подозрения. Но с мая 1921 года местное население стало верить властям об отмене продразверстки и амнистии. С этого времени заметно снизился приток добровольцев в ряды антоновцев, что привело к необходимой принудительной мобилизации крестьян в армию Антонова и к практике расправы с дезертирами из повстанческих отрядов.
Весной того же 1921 года антоновцы вынуждены были перейти к сбору продовольствия для повстанческой армии путем своеобразной «разверстки», собираемой специальными отрядами. Повстанцы вынуждены были отбирать лошадей для нужд армии, сначала только у крестьян «советских» и нейтральных сел, а с мая — и в симпатизирующих повстанцам селах. Все это сказалось на армии Антонова, которая к концу мая сократилась до 15 тысяч бойцов.
Рассматривая историю антоновщины, нельзя не отметить о докладе главкома С. Каменева Троцкому о ходе борьбы против антоновщины, в котором описывались малоизвестные события тех дней. В этом докладе сообщалось, что к 5 мая Антонов «с главным своим отрядом в две-три тысячи человек (Особый, 9-й, 16-й, 5-й и 14-й полки) при пулеметах и одном орудии находился в 50 верстах к югу от Тамбова, делая попытки нападений на наши части. Прочно организованные банды Башкирова, Богуславского, Карася и Селянского, также составлявшие полки, продолжали вести борьбу с нашими отрядами на территории вышеуказанных уездов. Общая численность организованных банд была от 8 до 10 тысяч человек, не считая еще бандитской «вохры», численность которой трудно поддавалась учету... Антонов, не принимая боя, бросился из района в 20 верстах южнее ст. Инжавино на восток, на территорию Саратовской губ. Преследуемый нашей конницей и бронеавтомобилями, описав полукруг к востоку от Сердобска и г. Чембары, Антонов, после двух последовательных боев с нашими автомобилями и подоспевшей конницей, понес большое поражение к западу от Чембара, и, разбившись на мелкие шайки, бандиты в панике бросились на юг в район Кирсанова... Поражение было нанесено настолько сильное, что в дальнейшем весь отряд Антонова распался по отдельным полкам, а сам Антонов с небольшой кучкой бандитов бросился к другой банде — Богуславского, находившейся к юго-западу от жел. дороги Тамбов–Балашов... Находившиеся в районе Инжавино и южнее остатки 9-го полка Антонова под командой Аверьянова также были разбиты нашими войсками и бросились в район ст. Романовка на соединение с бандой Ворожищева, где совместно обе банды были уничтожены нашими частями. По ликвидации главного ядра Антонова наша конница и автомобильные отряды под командой т. Уборевича были брошены против банды Богуславского на юг от жел. дороги Тамбов–Балашов. Настигнув банду, т. Уборевич с автомобилями погнал ее на юг по направлению к Новохоперску. Настигнув при переправе через р. Хопер к северу от Новохоперска банду, автомобили причинили ей большие потери огнем своих пулеметов, а затем 20 июня в 20-ти верстах сев.-зап. Урюпинской окончательно уничтожили банду. Также успешно была проведена операция и против банд Карася в районе ст. Кариан-Строганово (35 вер. к югу от Тамбова), причем банды в панике рассеялись, понеся значительные потери, а сам Карась с бандой 250 конных бросился в Козловский уезд, где был вновь разбит к северу от Козлова. В Моршанском уезде банды, руководимые Селянским, под ударами наших частей также рассеялись, причем сам Селянский был убит. К половине июля все главные банды Антонова разгромлены и на территории губернии насчитывается от 1300 до 1500 организованных бандитов».