20 Грудня 1917 р. Уцр відхилила цей ультиматум. Більшовицьке керівництво відразу оголосило стан війни з Центральною Радою.

Наявність в Україні двох центрів влади – київського національного і харківського радянського – дала змогу РНК Росії формально залишатись осторонь подій в Україні, представивши їх як внутрішній конфлікт між Радами робітничих і солдатських депутатів та УЦР. Йшла відкрита підготовка до збройної боротьби.

Радянські війська концентрувалися в Харкові, у районі Гомеля і під Брянськом. Вище політичне керівництво здійснював В. Антонов-Овсієнко, а військове – колишній царський полковник М. Муравйов. Більшовицькі сили, які нараховували 160 тис. вояків, складались із частин регулярної армії, червоногвардійських загонів із Росії та України, загонів моряків. Їх тактика полягала в просуванні лініями залізниць і встановленні контролю над великими промисловими й транспортними центрами. Ради розраховували на допомогу робітничих загонів у цих містах.

Воєнні сили УЦР складали підрозділи Вільного козацтва – добровольчі формування, які створювалися в ході війни. За кількістю війська УНР не поступалися радянським, але були розпорошені по всій території України, у той час як більшовицькі сили діяли на головних стратегічних напрямках.

Радянське командування насамперед встановило контроль над Харківською та Катеринославською губерніями. До середини грудня 1917 р. було захоплено важливі залізничні вузли і станції – Лозову, Павлоград, Синельникове. 26 грудня 1917 р. у Катеринославі впала влада УЦР. До кінця грудня з Донбасу були витіснені білогвардійські загони генерала Каледіна. У другій декаді січня 1918 р. радянська влада була встановлена в Миколаєві, Одесі, Херсоні.

Узгодженими ударами з півночі та сходу більшовики розгорнули наступ на Київ. Використовуючи перевагу в кількості й озброєнні, діючи рішуче й жорстоко, загони Муравйова швидко просувалися до столиці України. Становище УЦР ставало критичним. В умовах деморалізованості й дезорганізованості регулярних частин УНР символом національної честі став подвиг кількохсот київських студентів і гімназистів на чолі з сотником Омельченком, які 16 (29) січня 1918 р. неподалік станції Крути вступили в нерівний бій із переважаючими силами противника й загинули за Україну.

16 січня 1918 р. в столиці розпочався збройний виступ окремих частин міського гарнізону і робітників заводу «Арсенал», спрямований проти УЦР. 22 січня війська УНР під командуванням С. Петлюри та Є. Коновальця придушили повстання в Києві. Однак це вже не мало стратегічного значення. Того ж дня було оприлюднено ІV Універсал, який проголошував незалежність України.

Але наступ більшовицьких військ тривав. 25 січня члени Малої ради й Ради Народних Міністрів залишили Київ, перебравшись спочатку до Житомира, а потім – до Сарн. Тепер врятувати УЦР від остаточного більшовицького розгрому могла лише допомога країн Четверного союзу.

26 Січня 1918 р. Радянські війська ввійшли в Київ.

Причинами поразки військ УЦР слід вважати: ослаблення соціальної опори УЦР (повільність, нерішучість у здійсненні соціально-економічних перетворень відштовхнули селянство, у той час як більшість робітників підтримувала більшовиків); відсутність належної уваги до воєнної політики, збройного захисту державності, що виявилося у відсутності регулярної та централізованої армії; високий ступінь організованості та боєздатності більшовицьких військ, успішна тактика боротьби за владу; вміла соціальна демагогія рад.

Перший прихід більшовиків до влади в Україні супроводжувався масовим «червоним терором». Лише в Києві радянські війська під командуванням Муравйова знищили до 5 тис. людей. Це, зрозуміло, не привертало народ України до нової влади. Непопулярними були й інші заходи більшовиків.

Центральна Рада, розуміючи, що власними силами їй не вдасться здолати більшовицьку агресію, вирішила звернутися по допомогу до Німеччини та Австро-Угорщини, з якими в цей час вела мирні переговори. Ті погодилися надати допомогу в обмін на українське продовольство й сировину. Було підписано Берестейську угоду (лютий 1918), що закріплювала домовленості. Крім того, була досягнута таємна угода, за якою українці, які проживають в Австро-Угорщині, будуть об’єднані в єдиний «коронний край».

Після укладення угоди півмільйонна армія Німеччини та Австро-Угорщини рушила в Україну. Більшовики такій силі нічого протиставити не могли і швидко відступали в Росію, знищуючи за собою все, що не могли забрати.

Та союзники українців швидко показали своє справжнє обличчя. Вигнавши більшовиків, вони самі стали поводитись як окупанти: самочинно вилучали в населення продовольство, грабували, відновлювали порядки, що існували ще за царя. Все це не сприяло зміцненню авторитету Центральної Ради, котра в очах народу виглядала як зрадниця його інтересів. Тим часом і німці прагнули замінити УЦР на більш поступливу владу. 29 квітня 1918 р. за сприяння німецьких військ у Києві було здійснено переворот. Центральну Раду усунули від влади, а правителем України проголосили гетьмана Павло Скоропадського, нащадка колишнього гетьмана Івана Скоропадського.