Сын офицера. Окончил Воронежский Михайловский кадетский корпус (1901), Владимирское пехотное училище в Санкт-Петербурге (1904). Участник революционного движения с 1901 года. В 1906 году был приговорен к смертной казни, которая заменена каторгой, эмигрировал во Францию. Возвратился в Россию в 1917 году. Один из руководителей штурма Зимнего дворца и ареста Временного правительства. Участник Гражданской войны, в это время не раз бывал в Воронежской губернии. Председатель Тамбовского губернского исполнительного комитета (1919-1920). Один из организаторов борьбы с Антоновским восстанием. Начальник политического управления Революционного военного совета (1923-1924). Полномочный представитель СССР в Чехословакии (1924-1928), Литве (1928-1930), Польше (1930-1934). Прокурор РСФСР (1934-1936). Генеральный консул в Барселоне (1936-1937).
Автор воспоминания «Записки о гражданской войне» (том 1-4, Москва, 1924-1933), «В семнадцатом году» (Москва, 1933), «В революции» (Москва, 1957). Необоснованно репрессирован, расстрелян.
Именем Антонова-Овсеенко названа улица в Воронеже (1974).
