В тылу защищавших Советскую Украину армий энергичными усилиями Дзержинского создана боевая сила, способная ликвидировать повстанчество и заговоры против советской власти и бандитизм. В мае 1920 г. штаб войск ВОХР по его просьбе перебросил из центральных секторов на Украину еще 12 тысяч бойцов – без малого четвертую часть состава внутренних войск.
26 мая 1920 г. советские войска перешли в наступление, а через три дня решением ЦК РКП(б) Дзержинский назначен начальником тыла Юго-Западного фронта. В новом качестве свою работу он начал с того, что весь тыл фронта разделил на несколько зон: собственно тыл фронта (Харьковская, Полтавская и Донецкая губернии), тыл 12-й армии (Черниговская, Волынская, Киевская губернии), тыл 13-й армии (Екатеринославская и Таврическая губернии). В свою очередь, тыл фронта и армий был разделен на губернские, уездные и районные участки; приказами начальника тыла фронта и армии назначались начальники губернских участков, а их помощниками становились представители губернских ЧК, в уездных участках создавались комендатуры. Соответствующим начальникам тылов на их территории подчинялись все приданные полевые войска и части ВОХР.
В ночь на 2 июня 1920 г. Дзержинский с небольшой группой сотрудников ВЧК и управления тыла выехал в районы Правобережной Украины. Главным пунктом и целью поездки была Одесса, где сложилась опасная обстановка. Побережье города блокировали белогвардейские военные суда, в недалеких водах крейсировала «союзная» эскадра. Корабли белых били тяжелыми снарядами по мирным приморским селам. С севера не оставляли попыток наступления белополяки. Активизировалось белогвардейское подполье.
Дзержинский в течение нескольких дней инспектировал чрезвычайные комиссии, особые отделы, войска охраны тыла и части пограничной охраны, военкоматы и военные комендатуры городов правобережной зоны тыла. 6 июня РВС Юго-Западного фронта и высшие органы власти Советской Украины объявили Одессу и ее окрестности на осадном положении и образовали ревком. Благодаря принятым мерам обстановка в городе постепенно стабилизировалась.
В июне 1920 г. общее положение на Юго-Западном фронте существенно изменилось. В результате наступления Красной армии против войск противника 1-я Конная армии 5 июня 1920 г. нанесла удар по войскам Пилсудского, через два дня освободила Житомир, для Красной армии открылся путь к общему контрнаступлению. 6-я армия противника, потеряв свыше 9 тысяч убитыми, ранеными и пленными, фактически перестала существовать.
9 июня Первая Конная армия начала наступление на Киев, а в тыл противника вышла кавалерийская бригада Г. Котовского. Угроза окружения вынудила польское командование 10 июня отдать приказ 3-й армии оставить столицу Украины и начать отход к Коростеню. 11 июля освобожден Минск, 19 июля – Гродно, 23 июля – Пинск. Войска Тухачевского быстро приближались к Варшаве. Ее покинули иностранные дипломаты. Поляки запаниковали, а генерал Станислав Шептицкий говорил, что «мы должны большевиков на коленях молить о мире». Польское военное министерство ввело чрезвычайные и полевые суды для борьбы с дезертирством.