Военное училище окончил по первому разряду, получив по всем предметам высший балл, то есть 12 баллов. Это означало: «Знает все пройденное весьма основательно, отвечает твердо, развивает идеи ясно, располагая ответы в систематическом порядке, разрешает все вопросы, опровергает все возражения, выражается точно, связно и свободно».
Овсеенко выпустился из училища в чине подпоручика с назначением в 40-й пехотный Колыванский полк, стоявший в Варшаве. Еще до прибытия в полк, будучи в отпуске, молодой офицер выполнил партийное задание, получив в Вильно нелегальную литературу и явки Социал-демократии Королевства Польского и Литвы. Он постоянно стремился к активной практической работе нелегала-подпольщика. За провоз груза нелегальной литературы был подвергнут аресту на 10 дней.
В Варшаве Владимир Овсеенко и его молодая жена Анна Михайловна, выпускница Бестужевских курсов, стали активистами местной подпольной организации. Подпоручик участвует в неудачной попытке освобождения приговоренного к смертной казни известного польского социал-демократа С. Каспшака, преуспевает в издании подпольного «Солдатского листка». Во время революционных событий начала 1905 года попадает в список «неблагонадежных» солдат и офицеров варшавского гарнизона.
В марте 1905 года подпоручик Владимир Овсеенко получает назначение в действующую армию, в Маньчжурию. Но на Японскую войну он не попал, бросив военную службу и став подпольщиком, то есть профессиональным революционером, что стало делом всей его жизни. На непродолжительное время эмигрирует в Австрию.
В том же году участвует в неудачной попытке поднять в варшавском пригороде Пулавы восстание солдат двух пехотных полков – 71-го Белевского и 72-го Тульского и артиллерийской бригады. В тех событиях дезертировавший из армии подпоручик выстрелом из револьвера ранил ротного фельдфебеля и сумел скрыться. У Овсеенко появляется первая подпольная кличка «Штык».
Ему приходится из Польши уехать в Санкт-Петербург. Столичный комитет РСДРП направляет его для подпольной работы в морскую крепость Кронштадт, имея документы на австрийского подданного Стефана Дольницко. Там он организует нелегальные сходки солдат и матросов. Был арестован, заключение отбывал в Кронштадте и освобожден в конце того же 1905 года по амнистии.
В том же 1905 году участвует в попытке организации восстания в гарнизоне Санкт-Петербурга (железнодорожный батальон и саперы). Антонов-Авсеенко на страницах «Красного флота» (1924 год) о том событии рассказывал так:
«…Я, как бывший офицер, должен принять командование. Начало – рано утром.
Прошла ночь. Никто не пришел, как было условлено, за мной. После узнал – солдаты отказались выступить».
До Октября Антонов-Овсеенко работает в различных подпольных (военных) организациях единой РСДРП, примыкая к меньшевикам. О вступлении в партию большевиков заявил в конце мая 1917 года. В марте 1906 года совершил побег из Сущевского арестного дома. В мае следующего года выездной сессией Одесского военно-окружного суда приговорен к смертной казни как Антон Кабанов. Казнь была заменена 20-летней каторгой. Через месяц бежал из севастопольской тюрьмы. В 1909 году провел 6 месяцев в тюрьме как Антон Гук, после чего эмигрировал во Францию.
Там, в Париже, Владимир Александрович получил партийный псевдоним Антонов, и впоследствии стал писаться Антоновым-Овсеенко. Под этой двойной фамилией он и вошел в историю Гражданской войны в России, равно как и в историю сталинских репрессий 30-х годов.
В мае 1917 года вернулся в Россию. В Гельсингфорсе редактировал газету «Прибой». Был избран в Учредительное собрание от Северного фронта по списку РСДРП(б). Вел партийную работу в Финляндии и среди моряков Балтийского флота. В середине октября стал секретарем Петроградского военно-революционного комитета (ВРК).
Антонов-Овсеенко вошел в историю Октябрьской революции как один из руководителей штурма Зимнего дворца и руководитель ареста Временного правительства. От имени ВРК ведал распределением отрядов балтийских моряков по ключевым точкам города на Неве и возглавлял «полевой штаб» по захвату Зимнего дворца. Подписал ультиматум, адресованный главнокомандующему Петроградским военным округом, который, в реалиях Октября, мало уже кем командовал.