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);