В Никополе Судоплатова зачислили во 2-й ударный полк 5-й Заднестровской дивизии, который вскоре был переброшен в Николаев, а оттуда — в Одессу, где вошел в состав городского гарнизона.
В начале августа 1919 года противник высадил мощный десант в районе Сухого лимана и начал наступление на Одессу. Ликвидировать белый десант не удалось. Вскоре город был взят белыми.
Судоплатову не удалось покинуть Одессу вместе с отступавшими красными войсками. Из-за крупозного воспаления легких он лежал с высокой температурой в переполненной палате городской больницы. Белые, искавшие в больнице раненых красноармейцев, не обратили на мальчишку никакого внимания.
В первых числах сентября Павел выписался из больницы. Несколько месяцев беспризорничал, подрабатывая на жизнь в порту и на базаре.
В начале 1920 года группа красных армий Юго-Западного фронта перешла в наступление, чтобы освободить от белогвардейских войск южную часть Правобережной Украины. В ночь на 7 февраля кавалерийская бригада Котовского и стрелковые части 41-й дивизии начали наступление на Одессу. Одновременно в городе началось вооруженное выступление рабочих, которым руководил подпольный ревком. Павел Судоплатов принимал участие в уличных боях: подносил патроны, перевязывал раненых, помогал вылавливать спрятавшихся по подвалам и чердакам белогвардейцев.
К утру 8 февраля 1920 года красные освободили Одессу. Судоплатов вновь вступил в ряды Красной армии. Его определили в роту связи 123-й стрелковой бригады 41-й дивизии 14-й армии. Вместе с бригадой он был направлен на фронт и оставался там вплоть до окончания советско-польской войны. Уже в наши дни сын Судоплатова Андрей, изучавший боевой путь дивизии в тот период, рассказывал: «41-я дивизия участвовала в разгроме войск Деникина в нижнем течении реки Днестр, затем в обороне Черноморского побережья и Днестра. Затем дивизия была переброшена на Польский фронт, в апреле — июне 1920 года участвовала в боях с белополяками в районе среднего течения реки Днестр, а также в боях против отрядов украинских националистов во главе с Тютюнником; в июне — июле — в наступлении в районе Волоческ — Кременец — Каменец-Подольский; в июле — августе — в форсировании рек Збруч, Серет, Золотая и Гнилая Липа, освобождении городов Теребовль, Чертков, Галич, Рогатин. Однако после поражения советских войск под Варшавой дивизия отошла в район Каменец-Подольского.
В ноябре 1920 года 41-я дивизия участвовала в ликвидации петлюровских партизанских отрядов и освобождении городов Могилев-Подольский и Каменец-Подольский. 21 декабря того же года дивизия была сведена в бригаду и влита в 44-ю дивизию 12-й армии, а с января 1921 года вошла в состав Киевского военного округа. В это время бойцам дивизии приходилось вести ожесточенную борьбу с отрядами украинских националистов, а также с махновскими бандами, совершавшими рейды по Правобережной Украине».