Артиллерийским огнем с линкоров и фортов защитники Кронштадта отразили атаку. Наступавшие без маскировочных халатов курсанты представляли собой отличную мишень на непрочном весеннем льду. Почти все участники штурма были убиты или ранены.
Тем временем, 10 марта, Ленин пообещал поставить вопрос о замене продразверстки продналогом, а 15 марта X съезд партии принял соответствующее решение. Кронштадтцы пришли к выводу, что теперь, когда их основное требование удовлетворено, продолжать сопротивление бессмысленно. Перед началом восстания в Кронштадте насчитывалось около 27 тысяч военных моряков и красноармейцев. Большинство решили остаться в родном городе и не оказывать сопротивления советским войскам. Примерно треть гарнизона собиралась уйти в Финляндию, оставив небольшие арьергарды из наиболее опытных военморов для прикрытия отступления. 14-го марта началась подготовка к отступлению. 16-го отряды прикрытия заняли позиции на линкорах и в фортах, и в ночь с 16-го на 17-е марта отход на финский берег начался.
Перед повторным штурмом 300 делегатов X парт-съезда влились в изготовившиеся к наступлению на Кронштадт части, дабы пресечь всякие колебания среди красноармейцев и повести их в бой. Тухачевский отдал боевой приказ: «В ночь с 16-го на 17-е марта стремительным штурмом овладеть крепостью Кронштадт… Артиллерийский огонь открыть в 14 часов 16 марта и продолжать его до вечера…»
В первой половине дня 17-го марта кронштадтцам, несмотря на ураганный артиллерийский огонь с материка, удавалось отражать атаки советских войск. Двенадцатидюймовые орудия линкоров при разрыве проделывали во льду широкие полыньи, которые тут же покрывались тонкой ледяной коркой. Многие штурмующие проваливались в них и камнем шли на дно. Большие потери красноармейцы несли также от осколков и ружейно-пулеметного огня. Тухачевский думал управлять действиями атакующих по телефону, но в первые же минуты боя телефонные провода оказались перебиты осколками. Так что командарму пришлось довольствоваться ролью зрителя. Правда, наблюдать за ходом сражения мешал сильный туман. Только к вечеру передовые отряды атакующих ворвались в Кронштадт. В 21 час 50 минут Тухачевский отдал боевой приказ о полном овладении крепостью, островом Котлин и батареей Риф. Им предписывалось «сегодня же окончательно завладеть городом и ввести в нем железный порядок… При действиях в городе широко применять артиллерию в уличном бою». В дополнение командарм послал секретную телеграмму о том, что делать с поверженным противником: «Жестоко расправиться с мятежниками, расстреливая без всякого сожаления… пленными не увлекаться». После подавления восстания к расстрелу приговорили более 2100 человек, а около 7 тысяч отправили в лагеря и тюрьмы. Кроме того, несколько сот кронштадтцев было расстреляно сразу после штурма.
Следующим шагом в карьере Тухачевского стало подавление тамбовских крестьян — еще одна проверка на преданность большевистскому руководству. В конце апреля 1921 года Михаила Николаевича назначили командующим войсками Тамбовской губернии, в задачу которых входило как можно скорее подавить мощное крестьянское восстание во главе с бывшим сельским учителем эсером А.С. Антоновым. Политбюро ЦК РКП(б) 27 апреля решило «назначить единоличным командующим войсками в Тамбовском округе Тухачевского, сделав его ответственным за ликвидацию банд Антонова. Дать для ликвидации месячный срок. Не допускать никакого вмешательства в его дела…» Командарму после Кронштадта полностью доверяли. Силы под началом Тухачевского были собраны нешуточные. Численность советских войск (с тылами) превышала 120 тысяч человек. Непосредственно же на линии фронта против повстанцев действовало 53 тысячи бойцов, подкрепленных 9 артиллерийскими бригадами, 4 бронепоездами, 6 бронелетучками, 5 автобронеотрядами и 2 авиаотрядами. Красноармейцы не знали недостатка в боеприпасах. 63 орудиям, 463 пулеметам, 8 самолетам и 6 бронеавтомобилям антоновцы, насчитывавшие 18 тысяч бойцов, могли противопоставить 5 орудий и 25 пулеметов, к которым катастрофически не хватало снарядов и патронов. Повстанцы, несмотря на сочувственное отношение со стороны населения и свою способность быстро рассеиваться, уходя из-под удара, превращаться на время в мирных землепашцев, чтобы потом вновь собраться в вооруженные отряды и возобновить борьбу, были обречены и все равно рано или поздно капитулировали бы. Но Тухачевский еще 20 апреля, когда встречался и Лениным, обещал вождю мирового пролетариата подавить восстание в самый кратчайший срок. И принял соответствующие меры.
12 мая, в день своего прибытия в Тамбов, Тухачевский издал истребительный приказ № 130. Популярное изложение этого приказа 17 мая опубликовала Полномочная комиссия ВЦИК по борьбе с бандитизмом в Тамбовской губернии, озаглавив как «Приказ участникам бандитских шаек»:
«1. Рабоче-Крестьянская власть решила в кратчайший срок покончить с разбоем и грабежом в Тамбовской губернии и восстановить в ней мир и честный труд.