Родился «пламенный революционер» в Чернигове в дворянской семье поручика резервного пехотного полка, дослужившегося до чина капитана. Однако еще в юности порвал с родителями, назвав их отсталыми «людьми царских взглядов». Окончил Воронежский кадетский корпус и поступил в Николаевское военное инженерное училище, однако отказался присягать «на верность царю и отечеству», объясняя это «органическим отвращением к военщине», и был отчислен. Тут же примкнул к революционерам, вступил в социал-демократический студенческий кружок в Варшаве. Затем отправился в Петербург, где работал сначала чернорабочим в порту, а затем кучером в «Обществе покровительства животным».
Потом поступил в Санкт-Петербургское пехотное юнкерское училище. Но занимался там революционной агитацией среди юнкеров, связался с РСДРП. Когда грянула война с Японией, был призван в армию, но Родину защищать не захотел, а вместо этого дезертировал и перешел на нелегальное положение. Тайно вернулся в Польшу и пытался организовать военное восстание двух пехотных полков и артиллерийской бригады в Ново-Александрии, которое закончилось неудачей.
В конце концов был арестован в Кронштадте. Но назвался чужой фамилией, что помогло ему избежать приговора военно-полевого суда. В октябре 1905 года по амнистии был освобождён. В 1906 году пытался организовать восстание в Севастополе, за что был вновь арестован. Оказал вооружённое сопротивление и был приговорён к смертной казни с заменой 20 годами каторги. В июне 1907 года совместно с группой заключённых, совершив подрыв тюремной стены, бежал. Скрывался в Финляндии, затем в течение нескольких лет работал в подполье. Потом уехал за границу.
Февральская революция позволила Антонову-Овсеенко в июне 1917 года вернуться в Россию, где он сразу же вступил в партию большевиков. Был избран в состав Петроградского Военно-революционного комитет. В качестве его секретаря Антонов-Овсеенко стал одним из тех, кто активно готовил Октябрьское вооружённое восстание в Петрограде и руководил штурмом Зимнего дворца.
Как же происходил этот «исторический штурм Зимнего дворца»? Вечером 25 октября министры Временного правительства отправились на обед в Малую столовую. Сохранилось меню этого их последнего обеда. Суп, артишоки, рыба. В 18.50 к ним явился комиссар Петроградского Военно-революционного комитета Чудновский с группой парламентеров. Он предъявил Временному правительству ультиматум с требованием сдаться. Ультиматум остался без ответа.
Между 21:30 и 21:40 полуденная пушка Нарышкинского бастиона Петропавловской крепости выстрелила