Было очевидно, что за Корниловым стояли политические силы гораздо правее кадетов, и либералы, включая Милюкова, об этом знали. Например, в первом списке членов корниловского правительства кадетов не было вообще, а во втором они хотя и были представлены, но очень скромно и на очень скромных постах. Кадеты не могли поддержать Корнилова и ввиду непопулярности его политики в широких массах. Материалы заседания кадетского ЦК от 20 августа 1917 года абсолютно точно свидетельствуют об этом: о том, что «идет к расстрелу», что «слова бессильны», что «в перспективе уже показывается диктатор», что «партия остается не у дел». Во многом общую позицию сформулировал тогда А.И. Шингарев: «Если бы даже диктатура после кровавых расстрелов захотела опереться на умеренные слои и обратилась к кадетам с предложением спасать отечество, в каком положении очутилась бы партия, принявши эту историческую миссию? Если бы ей и удалось спасти отечество, происхождение ее власти надолго было бы для нее политическим самоубийством…» Что оставалось делать кадетам в такой ситуации? Только одно – уйти в отставку из правительства и во имя собственных интересов попытаться уговорить Корнилова пойти на компромисс с Керенским. Это они и пытались сделать в последние дни августа 1917 года…
Провал корниловского выступления нанес сильный удар кадетской партии – ее руководство в глазах общественного мнения все-таки оказалось скомпрометировано участием в заговоре. Однако кадеты не оставляли надежды на восстановление порядка в стране путем укрепления существующего строя. А.В. Карташев принял активное участие в состоявшемся 22 сентября в Зимнем дворце под председательством Керенского совещании Временного правительства, представителей Демократического совещания, московских общественных деятелей и некоторых членов ЦК кадетской партии, на котором обсуждался вопрос об организации власти. В результате интенсивных политических переговоров было сформировано третье коалиционное Временное правительство, в которое в числе пяти представителей кадетской партии вошел и Карташев, сохранив за собой пост министра исповеданий. Видимо, немаловажную роль в факте вхождения Карташева в новый кабинет опять сыграло его масонство, и это ставит под еще большее сомнение версию об участии Карташева в заговоре Корнилова. Представляется крайне маловероятным, чтобы Керенский согласился на участие Карташева в правительстве, если бы тот действительно был связан с Корниловым. Стоит добавить, что в эмиграции А.Ф. Керенский потратил немало сил и времени, чтобы выяснить всю подноготную корниловского выступления. При этом он не нашел ни одного факта, который указывал бы на участие Карташева в заговоре.
В правительстве А.В. Карташев занимался в основном идеологическими и церковными вопросами. Он пытался внести в идеологию правительства патриотические нотки. В те тревожные дни для поддержки падающей власти и противодействия зреющему большевистскому перевороту кадетское руководство организовало ежедневные совещания членов ЦК с министрами-кадетами А.В. Карташевым, А.И. Коноваловым, Н.М. Кишкиным, С.Н. Третьяковым. Совещания проходили в шестом часу дня в квартире А.Г. Хрущова на Адмиралтейской набережной. По воспоминаниям В.Д. Набокова, «цель этих совещаний заключалась в том, чтобы, во-первых, держать министров в постоянном контакте с Центральным Комитетом и, с другой стороны, иметь постоянное и правильное осведомление обо всем, происходящем в правительстве». Однако остановить надвигающийся большевистский переворот кадеты были не в силах.
Когда осенью 1917 года министра Карташева спрашивали, что он будет делать по окончании срока своих полномочий, Антон Владимирович отвечал: «Меня ждет келья в монастыре». Однако революционная обстановка не располагала к уединению в монашеской обители. Угроза взятия власти большевиками становилась все реальнее, и Карташев, как мог, пытался этому противодействовать. На заседаниях правительства он говорил о необходимости решительных мер против большевиков, но реальных сил у Временного правительства не было. 25 октября 1917 года, когда судьба правительства уже была решена, А.В. Карташев, П.Н. Малянтович, С.Л. Маслов и К.А. Гвоздев составили последнее воззвание правительства к населению. «Оно разъясняло, – писал в своих воспоминаниях Малянтович, – положение вещей и призывало население к защите государственного порядка и законного всенародного правительства, которое может сдать свои полномочия только Учредительному собранию, против выступления большевиков, имеющего очевидной целью насильственно захватить верховную власть вопреки воле народа и в нарушение суверенных прав Учредительного собрания». А.В. Карташева арестовали вместе с другими членами Временного правительства в ночь с 25 на 26 октября 1917 года в Зимнем дворце и отправили в Петропавловскую крепость.