Родился в семье украинского писателя Михаила Коцюбинского. Сестра Юрия Коцюбинского Оксана Коцюбинская была первой женой Виталия Марковича Примакова.
В 1913 году вступил в РСДРП(б). С 1914 года член Черниговского комитета РСДРП. В 1916 году был мобилизован в армию; окончил Одесское военное училище, прапорщик. Служил в Петрограде, вёл революционную агитацию среди солдат. Участник Февральской революции 1917. За антивоенную пропаганду арестовывался Временным правительством. В 1917 году — стал членом Военной организации большевиков при Петроградском комитете РСДРП(б), комиссаром Семеновского гвардейского резервного полка, начальником Красной гвардии и комендантом Московско-Нарвского района (Петроград); с 20 октября (2 ноября) член ВРК, комиссар гвардейского Семёновского полка.
Участвовал в событиях, называемых штурмом Зимнего дворца. Присутствовал на 1-м и 2-м съездах Советов. Был комендантом Московско-Нарвского района. Возглавлял сводный красногвардейский отряд в боях с войсками Керенского — Краснова. В декабре на 1-м съезде Советов Украины избран в состав первого Советского правительства (Народного секретариата) — заместитель народного секретаря по военным делам Украины. С января 1918 года главнокомандующий советскими войсками на Украине; руководил операцией по разгрому националистических войск и освобождению Киева от Центральной рады; член Всеукраинского ВРК. После оккупации Украины немецкими войсками член повстанческого Украинского правительства и областного комитета партии, член Оргбюро по созыву 1-го съезда компартии Украины, член Всеукраинского центрального Военно-революционного комитета, с ноября — член правительства Украины. В январе-июне 1919 года член Военно-революционного совета Украинского фронта, с августа — председатель Черниговского губкома КП(б) Украины, входил в ЦК КП(б) Украины и в Зафронтовое бюро ЦК. В 1920 году стал членом Полтавского губкома КП (б) Украины.
В 1921—22 был дипломатическим представителем Украины в Вене. С 1925 года был советником полпредств СССР в Австрии и Польше. Участвовал в подписании советско-польского Рижского мирного договора (1921). С 1930 года заместитель наркома земледелия УССР. С 1933 года заместитель председателя СНК и одновременно председатель Госплана УССР. Неоднократно избирался членом ЦК КП (б) Украины, член Оргбюро ЦК КП (б) Украины.
Был женат на дочери Г. И. Петровского.
Обвинен в национализме и 5 октября 1936 года арестован. 8 марта 1937 года приговорен к смертной казни и расстрелян в тот же день. В декабре 1955 года реабилитирован.