В январе-феврале 1918 года командовал группой войск на Киевском направлении. 19 января вошёл в Полтаву, где разогнал нелояльный к нему местный Совет, заменив его ревкомом. Председатель совета Андрей Заливчий, как и другие члены совета были арестованы. При занятии Полтавы Муравьёв приказал расстрелять 98 юнкеров и офицеров местного юнкерского училища.
Через четыре дня после подавления войсками Центральной рады Январского восстания в Киеве войска Муравьёва вошли в Киев, где был установлен режим террора. При штурме города был проведён массовый артобстрел (до 15 тысяч снарядов), в результате которого был разрушен дом Грушевского. Перед началом самого штурма Муравьев 4 февраля 1918 года отдал своим войскам приказ: «войскам обеих армий приказываю беспощадно уничтожить в Киеве всех офицеров и юнкеров, гайдамаков, монархистов и врагов революции».
25 января (7 февраля) революционными матросами Муравьёва был самовольно убит с целью грабежа киевский митрополит Владимир. Сам же Муравьёв наложил на киевскую «буржуазию» контрибуцию в 5 млн. руб. на содержание советских войск. По сведениям украинского Красного Креста, в первые дни после установления власти Муравьёва в Киеве было убито до 5 тысяч человек, из них до 3 тысяч — офицеры.
14 февраля 1918 года он был назначен командующим фронтом, получив задачу выступить против румынских войск, стремившихся захватить Бессарабию и Приднестровье. В своей телеграмме Ленин потребовал от Муравьёва: «Действуйте как можно энергичнее на Румынском фронте». Муравьёв командовал войсками Одесской Советской республики до 12 марта 1918 года, однако удержать город не смог. 1 апреля 1918 г., бросив свои войска, прибыл в Москву. 28 апреля М. Муравьев был арестован ЧК и брошен в тюрьму после того, как представители комитета «1-й революционной армии» обвинили бывшего главкома «в расправах, расстрелах, самодурстве, предоставлении армии права грабить города, села».
Началось следствие. Тех, кто лично сталкивался с Муравьевым, поражало его обхождение даже с ближайшим окружением. Рассказывали, что он застрелил шофера, у которого в «неподходящий момент» сломалась машина. Одного железнодорожного рабочего главком приказал расстрелять за то, что тот осмелился похлопать его по плечу, а другого за то, что обратился к нему со словом «голубчик». Свидетели высказывали свои сомнения относительно психического здоровья главкома:
«Впечатление у меня от Муравьева, как о человеке чрезвычайно нервном, кровожадном — одним словом, человеке неуравновешенном, ненормальном» (В. Примаков, командир полка Червоного казачества);
«Все его жесты, мимика, страшная возбужденность вызывали у меня ощущение, что передо мною ненормальный человек» (В. Фейерабенд, бывший начальник штаба «2-й революционной армии»);
«Я никогда не видел таких людей, как Муравьев: это был совершенно ненормальный человек с явно выраженной манией величия» (С.Мойсеев, глава армейского комитета «1-й революционной армии»).
Медицинское обследование М. Муравьева в тюрьме показало, что он действительно страдал «неврастенией в степени большей, чем средняя». С 10 июня подполковник был переведен из Бутырки в частную психиатрическую лечебницу О. Чичеровой.
Муравьёв был оправдан и 13 июня 1918 года получил назначение командующим Восточным фронтом. В ночь с 9 на 10 июля Муравьёв, бросив штаб фронта в Казани, без ведома реввоенсовета фронта погрузил два лояльных себе полка на пароходы и отбыл из города. Перед мятежом успел приказом по фронту перебросить из Симбирска в Бугульму местную коммунистическую дружину.
11 июля он с отрядом в тысячу человек прибыл на пароходе «Мезень» из штаба фронта, размещавшегося в Казани, в Симбирск, занял стратегические пункты города и арестовал руководящих советских работников. Выступил против заключения Брестского мира с Германией, объявил себя «главкомом армии, действовавшей против Германии», телеграфировал в СНК РСФСР, германскому посольству в Москве и командованию Чехословацкого корпуса об объявлении войны Германии. Войскам фронта и Чехословацкому корпусу (с которым он до мятежа и должен был воевать) предписывалось двигаться к Волге и далее на запад для отпора германским войскам.
