Vladimir Antonov-Ovsejenko osales revolutsioonilises liikumises 1901. aastast, ta osales Sevastopoli ülestõusus. Liitus Venemaa SDTP menševike fraktsiooniga, tegutses emigratsioonis Prantsusmaal, Pariisis koos Lev Trotskiga ajalehe Naše Slovo ("Наше слово") toimetamisega.

1917. aastal naasis ta Venemaale ja 1917. aasta juunis liitus VSDTP bolševike tiivaga. 1917. aasta Oktoobrirevolutsiooni ajal oli ta Petrogradis Petrogradi Sõja-Revolutsioonikomitee liige ning tema juhtimisel hõivati Venemaa Ajutise Valitsuse residents Talvepalee ja vahistati Venemaa Ajutise Valitsuse liikmed.

Nõukogude Venemaal oli V. Antonov-Ovsejenko sovetivastase Tambovi ülestõusu ajal Ülevenemaalise Tööliste, Soldatite, Talupoegade ja Kasakate Saadikute Nõukogu Kesktäitevkomitee Tambovi kubermangu banditismivastase võitluse volitatud komisjoni esimees ning osales koos Punaarmee üksuste Mihhail Tuhhatševskiga sovetivastaste ülestõusnute kohtuvälise hukkamiste organiseerimisel.

1934. aastast oli V. Antonov-Ovsejenko Vene SFNV prokurör, Hispaania kodusõja ajal oli Hispaanias Barcelonas NSV Liidu peakonsul.

V. Antonov-Ovsejenko kutsuti Hispaaniast tagasi NSV Liitu ja vahistati 1937. aasta novembris ning hukati 1938. aastal.