В отличие от кавбригад автобронеотряды сильно задержались и прибыли в назначенный им пункт сбора — железнодорожную станцию Шампур — лишь к вечеру 14 июня. А к ночи кольцо советских войск плотно сомкнулось вокруг Каменского района. С севера и юга выходы из него блокировали шесть полков 10-й стрелковой дивизии Ф. П. Кауфельдта. С востока на Каменку нацелились кавбригады Котовского и Ковалева, а с запада — три автобронеотряда.
На рассвете 15 июня красные решительно атаковали район Каменки. Но повстанцев там не оказалось. Лишь к десяти часам утра удалось выяснить, что противник в составе четырех полков под общим командованием Константина Васильевича Машкова еще в ночь на 14 июня скрытно ушел на юг, в Борисоглебский уезд. Виноват был Котовский, которому Тухачевский поручил наблюдение за всеми передвижениями повстанцев.
Тридцатого июня началась операция советских войск по разгрому повстанческой группы П. Е. Аверьянова. На рассвете 1 июля основной удар наносили кавбригада Котовского и отряд 7-х Борисоглебских кавалерийских курсов. Но отряд борисоглебских курсантов в 123 сабли при четырех пулеметах на подходе к деревне Федоровка-Мордва попал в засаду.
Антоновские агенты узнали время выступления и маршрут движения отряда курсантов. Аверьянов стянул к месту засады три полка и несколько мелких повстанческих отрядов. Руководил операцией заместитель, командир 14-го Нару-Тамбовского полка Иван Сергеевич Матюхин, который хорошо знал местность. Важная роль отводилась также командиру 16-го Золотовского полка Максиму Архиповичу Назарову, уроженцу деревни Федоровка-Мордва.
Назаров во главе своего полка, экипированного в новенькое кожаное обмундирование, встретил у Федоровки-Мордвы борисоглебских курсантов, которые сначала приняли антоновцев за своих. Тем временем другие отряды из группы Аверьянова по балкам и оврагам зашли в тыл к курсантам и атаковали их.
Отлично обученные курсанты (7-е Борисоглебские кавкурсы считались лучшими в Красной армии) сражались мужественно, но им грозило полное истребление. Их спас 2-й кавполк бригады Котовского, обративший антоновцев в бегство. Треть борисоглебских курсантов была убита, а почти все уцелевшие были ранены. Группа Аверьянова потеряла убитыми более двухсот человек. Кроме того, кавполк котовцев настиг и изрубил у Золотовки еще около сотни повстанцев из 16-го Золотовского полка. 7 июля бригада Котовского захватила аверьяновцев врасплох в 15 километрах юго-восточнее станции Сампур и почти полностью их уничтожила.
Летом 1921 года антоновцы потерпели поражение. В начале июля руководством восстания был издан приказ, согласно которому боевым отрядам предлагалось разделиться на группы, скрыться в лесах и перейти к партизанским действиям или разойтись по домам.
Двадцатого июля Котовский провел свою знаменитую военно-чекистскую операцию по уничтожению отряда Матюхина, попытавшегося собрать вокруг себя остатки нескольких разбитых повстанческих полков. Этот день официально считается днем окончательного разгрома антоновщины, поскольку более или менее регулярных отрядов антоновцев, пытавшихся противостоять красным в открытом бою, после этого уже не осталось. 20 июля 1921 года Полномочная комиссия ВЦИКа, знаменуя победу над антоновщиной, известила войска и население Тамбовской губернии, что «окончательный развал эсеро-бандитизма и полное содействие в борьбе с ним со стороны крестьян позволяет Полномочной комиссии ВЦИКа приостановить применение исключительных мер приказа № 171, направленных против упорствующих бандитов».
Перед началом операции против Матюхина Котовский докладывал Тухачевскому: «Выступаю на рассвете в секретную операцию, подробности которой из соображений конспирации не решаюсь передавать по телеграфу. Прошу дать распоряжение всем частям, оцепляющим тамбовский лес, чтобы они в течение недели не предпринимали никаких активных действий и пропустили к лесу белую казачью банду атамана Фролова, которая пройдет к ним с тыла. Кроме того, прошу с завтрашнего дня ежедневно по всем частям, расположенным на линии железной дороги, утром и вечером в течение часа производить стрельбу холостыми зарядами из орудий, пулеметов и винтовок. Если все это будет исполнено, банда Матюхина будет уничтожена через пять дней».
Это был завершающий этап операции. Ему предшествовала длительная работа ВЧК по внедрению своих агентов в руководство антоновского восстания и заманиванию в ловушку самого Антонова и его ближайших соратников. Для этого был использован прием, позднее с успехом применявшийся против других антисоветских сил. Чекисты легендировали существование мощной общероссийской антисоветской организации, в случае с Антоновым — эсеровского толка. В дальнейшем для действий против Тютюнника и других петлюровцев была создана фальшивая обшеукраинская повстанческая организация, а для борьбы с монархической контрреволюцией — мнимая общероссийская монархическая организация (знаменитая операция «Трест»), Чтобы заманить в СССР Бориса Савинкова, легендировалась организация «Либеральные демократы» и т. д. Чекистам было выгодно объединять контрреволюционеров в большие организации под своим присмотром, чтобы можно было арестовать сразу многих. Жертв этих провокаций потом заманивали либо в Москву, либо, если речь шла об эмигрантах, просто на советскую территорию. Здесь чекисты использовали убежденность большинства лидеров антибольшевистских движений и организаций, что в СССР должно существовать сильное антисоветское подполье, с которым можно и нужно установить связь. На самом деле к началу 1920-х годов благодаря красному террору и активным действиям ВЧК подавляющее большинство реальных и потенциальных противников советской власти, а также контрреволюционных организаций было либо уничтожено, либо вытеснено в эмиграцию, либо загнано в глубокое подполье, не позволявшее осуществлять какой-либо активной и целенаправленной деятельности. Но лидеры эмиграции и повстанцев легко верили в легендированные чекистами организации еще и потому, что связей с настоящими антисоветскими организациями в России и СССР почти не имели.
По поручению Ф. Э. Дзержинского начальник отдела по борьбе с контрреволюцией ВЧК Т. П. Самсонов и его заместитель Т. Д. Дерибас разработали детальный план проникновения в окружение Антонова. Для этого был использован Евдоким Федорович Муравьев, левый эсер, перешедший на сторону большевиков. По поручению ЧК он вместе со своей подругой М. Ф. Цепляевой имитировал активную подпольную работу левых эсеров в Воронежской губернии. Прибывший в Воронеж эмиссар Антонова — начальник контрразведки Н. Я. Герасев (псевдоним — Донской) поверил в существование сильной левоэсеровской организации, склоняющейся к поддержке Антонова. Поверил потому, что очень хотел в это верить. Донскому устроили встречу с «членами ЦК левых эсеров», которые в его присутствии передали Муравьеву директиву о необходимости объединения всех антибольшевистских сил. Они говорили о подготовке в Москве съезда всех антибольшевистских сил, от меньшевиков до кадетов.
Старый чекист Д. М. Смирнов вспоминал: «Разговор велся на таком серьезном, деловом уровне, что прожженный антоновский контрразведчик поверил и в истинность обоих „членов ЦК“, и в активную работу руководимой Муравьевым Воронежской левоэсеровской организации. Он тут же дал слово доложить обо всем услышанном Антонову и, пригласив Муравьева на Тамбовщину, назвал пароли и явки в Тамбове, с помощью которых такую поездку можно будет осуществить».