До начала отступления войск ВСЮР в январе 1920 года бронепоезд «Новороссия» в составе отряда Розеншильда фон Паулина воевал на два фронта — против петлюровцев, закрепившихся в Виннице, и против красных, стоявших в Бердичеве.

Из-за быстрого роста в чинах во ВСЮР (ордена за братоубийственную войну Деникиным принципиально не давались), эту кампанию Катаев окончил, вероятнее всего, в чине поручика или штабс-капитана. Но в самом начале 1920 года, ещё до начала отступления Катаев заболел сыпным тифом в Жмеринке и был эвакуирован в одесский госпиталь. Позже родные забрали его, всё ещё больного тифом, домой.

«Врангелевский заговор на маяке» и тюрьма

К середине февраля 1920 года Катаев излечился от тифа. Красные к тому времени заняли Одессу и выздоровевший Катаев подключился к подпольному офицерскому заговору, целью которого была подготовка встречи вероятного десанта из Крыма Русской армии Врангеля. Это представлялось тем более вероятным поскольку в августе 1919 года Одесса уже была один раз освобождена от красных одновременным ударом десантного отряда и восстанием офицерских подпольных организаций. Захват маяка для поддержки десанта был главной задачей подпольной группы, поэтому в одесской ЧК заговор получил название «врангелевский заговор на маяке». Сама идея заговора могла быть подброшена заговорщикам провокатором ЧК, поскольку ЧК знала о заговоре с самого начала.

С маяком был связан один из заговорщиков Виктор Фёдоров — бывший офицер ВСЮР, избежавший преследований со стороны красных и устроившийся работать младшим офицером в прожекторную команду на маяке. Виктор Фёдоров был сыном писателя А. М. Фёдорова из дружественного Катаевым и Буниным семейства. Провокатор ЧК предложил Виктору Фёдорову большую денежную сумму за выведение из строя прожектора во время высадки десанта. Фёдоров согласился сделать это бесплатно. ЧК вела группу несколько недель и затем арестовала её участников: Виктора Фёдорова, его жену, его деверя, прожектористов, Валентина Катаева и других. Заодно с Валентином Катаевым был арестован его младший брат Евгений, скорее всего, не имевший к заговору никакого отношения.

За Виктора Фёдорова перед председателем одесской ЧК Максом Дейчем заступился Григорий Котовский. Отец Виктора А. М. Фёдоров в 1916 году повлиял на отмену смертной казни через повешение в отношении Котовского. Именно Котовский в феврале 1920 года взял Одессу и благодаря этому имел большое влияние на происходившее в то время в городе. Виктор Фёдоров с женой Надеждой по настоянию Котовского были Дейчем отпущены.

Валентина Катаева спасла ещё более фантастическая случайность. Из вышестоящей ЧК (из Харькова или Москвы) в одесскую ЧК приехал с инспекцией чекист, которого Катаев в разговорах с сыном называл Яков Бельский. Бельский хорошо запомнил Катаева в прошлом, 1919 году, на большевистских выступлениях в Одессе — тех, на которые пенял Катаеву Бунин, не зная, что и в то время Катаев находился в белогвардейском подполье:

Для Бельского, так же, как и одесские чекисты, не знавшего о добровольной службе Катаева во ВСЮР, это был достаточный повод отпустить Катаева. В сентябре 1920 года после полугода заключения в тюрьме Валентин Катаев и его брат из неё вышли. Остальные заговорщики были расстреляны осенью 1920 года.

Харьков

В 1921 году работал в харьковской прессе вместе с Юрием Олешей.