2 марта Петроград и Петроградская губерния были объявлены на осадном положении. 3 марта 1921 года в крепости был образован «штаб обороны», который возглавил бывший капитан Е.Н. Соловьянинов, в состав штаба вошли «военные специалисты»: командующий артиллерией крепости, бывший генерал А.Р. Козловский, контр-адмирал С.Н. Дмитриев, полковник Б.А. Арканников. Однако бывшие генералы и адмиралы были привлечены исключительно как военные специалисты, вся реальная власть в Кронштадте была в руках матросов.
4 марта Комитет обороны Петрограда предъявил Кронштадту ультиматум. Восставшие должны были либо принять его, либо отклонить и сражаться. В тот же день в крепости состоялось заседание делегатского собрания, на котором присутствовали 202 человека. Было решено защищаться. По предложению Петриченко состав ВРК был увеличен с 5 до 15 человек.
Гарнизон Кронштадта на тот момент насчитывал 26 тысяч человек, однако следует отметить, что в восстании участвовал не весь личный состав — в частности, 450 человек, отказавшиеся примкнуть к восстанию, были арестованы и заперты в трюме линкора «Петропавловск». С оружием в руках, на материк к большевикам ушла партийная школа и часть матросов-коммунистов, имелись и перебежчики.
5 марта 1921 года приказом Реввоенсовета была восстановлена 7-я армия под командованием М.Н. Тухачевского, которому предписывалось подготовить оперативный план штурма и «в кратчайший срок подавить восстание в Кронштадте». Штурм крепости был назначен на 8 марта. Именно в этот день после нескольких переносов должен был открыться Х съезд РКП (б) — это было не простое совпадение, а продуманный, предпринятый с определенным политическим расчётом шаг. Сжатые сроки подготовки операции диктовались и тем, что ожидаемое вскрытие Финского залива могло существенно осложнить взятие крепости.
7 марта 1921 года силы 7-й армии насчитывали 17 тысяч красноармейцев. Что касается П.Е. Дыбенко, то он был назначен командиром 187-й бригады, основу которой составил 561-й стрелковый полк. При этом 561-й стрелковый полк был укомплектован кубанскими казаками, многие из которых еще совсем недавно сражались в белой армии. Идти на лед и умирать из-за свары революционных матросов с большевиками им совершенно не хотелось — это была не их война. Более того в Кронштадте находился укомплектованный этими же кубанцами 560-й стрелковый полк, принявший активное участие в мятеже. Стрелять в своих братьев и друзей кубанцы 561-го также не желали.
В 18 часов 7 марта начался артобстрел Кронштадта. На рассвете 8 марта 1921 года в день открытия Х съезда РКП (б) солдаты Красной армии пошли на штурм. Однако и Тухачевский, и Дыбенко действовали столь бездарно и неуверенно, что штурм был без особого труда отбит, и войска с большими потерями отступили на исходные рубежи. Как отмечал К.Е. Ворошилов, после неудачного штурма «политико-моральное состояние отдельных частей вызывало тревогу». Два полка 27-й Омской стрелковой дивизии вообще отказались участвовать в сражении, и были разоружены.
Что касается бригады П.Е. Дыбенко, то 561-й полк, выйдя на лед и пройдя по нему всего полторы версты, дружно повернул обратно… Из политдонесения: “Во время первого штурма Кронштадта 7–8 марта товарищ Дыбенко приказал развернуть вторую цепь и стрелять по возвращавшимся. Принимал репрессивные меры против своих красноармейцев, дабы дальше заставить наступать”.
При подготовке ко второму штурму численность войск была доведена до 24 тысяч штыков. Атаковать предполагалось сразу с двух сторон, с севера от Сестрорецка и мыса Лисий нос и с юга, из района Ораниенбаум. Что касается Дыбенко, то он находился при южной группе. В действующие части для усиления направили около 300 делегатов X-го съезда партии, 1114 коммунистов и три полка “красных курсантов”. Была проведена разведка, подготовлены белые маскхалаты, доски и решётчатые мостки для преодоления ненадёжных участков ледяной поверхности.
Во время подготовки ко второму штурму и штурма 8-17 марта П.Е. Дыбенко был “за проявленную большевистскую стойкость” повышен в должности и назначен командиром сводной дивизии, в которую, помимо его 187-й бригады, вошла 33-я стрелковая бригада и ряд частей 56-й дивизии. Сводная дивизия явилась ударным кулаком группы войск наступавших на Кронштадт с южного берега Финского залива. Подчиненные Дыбенко атаковали Кронштадт на участке от Ораниенбаума до Мартышкино. Несмотря на активное выявление в полках и частях дивизии в преддверии второго штурма антибольшевицких элементов, часть красноармейцев снова отказалась выходить на лед и идти убивать своих братьев-матросов. Отказников уводили подальше на берег и тут же расстреливали.
15 марта вместе с К.Е. Ворошиловым и Г.Л. Пятаковым, П.Е. Дыбенко выступил на митинге трех полков своей дивизии. Свое выступление он закончил словами: “Даешь Кронштадт!” Ура, товарищи!”