Возле с. Новый Буг махновцы, усиленные отрядами Маруси и Иванова, одержали последнюю, можно сказать, фантастическую победу. Сотня махновцев напала на 1-ю бригаду 7-й кавдивизии, по численности в десять раз превосходившую махновский отряд. Общая паника охватила красных уже при одном появлении махновцев. Махно, превозмогая адскую боль от последнего ранения, верхом возглавил ряды атакующих. Разбив пулеметную команду, махновцы захватили 25 тачанок с 16 пулеметами и открыли яростный огонь по лагерю красных. После того как повстанцы продолжили свой путь на запад, красные, придя в себя через несколько часов после махновского нападения, силами кавалерии организовали преследование. К ним присоединились 2 броневика и 2 грузовика с пехотой. Около 100 км преследовали они махновцев и атаковали их на переправе через р. Ингул, где погибли 45 повстанцев, в том числе атаманша Маруся. Через 2 дня 90 махновцев выдержали новый бой с 7-й кавдивизией возле Голты. В этом бою Махно был ранен в затылок, пуля прошла сквозь щеку навылет. После этого боя махновцы скрываются в Савранских лесах, где Махно заключает соглашение о совместных действиях с местными атаманами Лихом и Заболотным. Савранский лес окружили красные, которые готовились применить слезоточивый газ для «выкуривания» повстанцев. 26 августа махновцы прорываются сквозь кордоны врага на околицах леса, но в бою погибает близкий друг батьки Петренко. 28 августа 1921 года, разоружив пограничный пост в 5 км южнее с. Каменка, махновцы переправились через Днестр и двинулись в глубь румынской территории. Вместе с Махно направился в Румынию отряд атамана Хоробро — Лихо. По разным данным, махновцев, перешедших в Румынию, было от 77 до 125 человек. Большинство исследователей склоняются к цифре 78, хотя впоследствии к махновцам в Румынию могли перебраться еще несколько десятков их боевых побратимов из Украины.
Когда махновцы ступили на землю Молдовы, румынские пограничники встретили их огнем. Прижатые к Днестру, махновцы начали кричать: «Мы не большевики! Мы украинские казаки!» — румыны решили, что через границу пробились петлюровцы, с которыми у них было соглашение, и пропустили махновцев на берег. Через границу Махно переправили лежащим без сознания, он истекал кровью после последнего ранения. Через несколько часов Махно, придя в себя, был готов к переговорам с румынскими пограничниками. Он предоставил румынской власти документы, которые доказывали его борьбу против красных, и попросил политического убежища в Румынии. Махновцев разоружили и привели на пограничный румынский пост. У Махно были изъяты около 2 млн «романовских» рублей как золотом, так и бумажными купюрами. Махновцев отправили в лагерь для военнопленных, который находился в городке Бельцы. Через две недели Махно и его ближайшее окружение были освобождены, Нестору разрешили выехать в столицу Румынии, взяв с собой жену и 5 повстанческих «офицеров». Им были предоставлены номера в одном из отелей Бухареста и полное обеспечение. Махно сделали операцию по извлечению осколков разрывной пули.
Румынская пресса назвала Махно «гетманом», «мучеником цивилизации и прогресса», «уникальным стратегом», «человеком, который появляется один раз в сто лет». Румынские власти считали Махно влиятельным политическим деятелем, который может пригодиться хотя бы в случае войны с Советами. В Румынии Махно создает Заграничный центр махновского движения, с помощью которого он пытался руководить своими разрозненными отрядами и подпольем в УССР. Цель центра — подготовить все условия для возобновления широкомасштабной борьбы против красных. Центр организовывал «окна» на границе, через которые в УССР проникали махновские эмиссары. Махновский центр надеялся вовлечь в свои ряды украинских повстанцев петлюровского направления и солдат бывшей петлюровской армии.
В начале 1922 года из Румынии в Украину проникли 7 бойцов во главе с махновским командиром Кожей, который добрался до Гуляйполя и объединил там остатки махновской вольницы. Весной 1922 года еще 15 махновцев были направлены в Украину для организации восстания. Однако большинство из них были арестованы ЧК.
Правительства Советской России и Советской Украины в дипломатических нотах к румынской власти требовали выдачи Махно и его соратников, указывая, что все они являются разбойниками и бандитами и что они готовятся напасть на Украину. Однако румынская власть отвечала, что для выдачи Махно и его соратников нет никаких оснований — «в соответствии с нормами международного права». Для дискредитации Махно руководство Советской Украины, наркомат юстиции, наркомат иностранных дел, ГПУ завели следственное дело, стремясь доказать, что Махно — не политическая фигура, а главарь банды, которая совершила тысячи уголовных преступлений.
Обвинительный акт был подготовлен уже в январе 1922 года. Махно понимал, что румыны, получив какие-нибудь выгодные обещания, могут выдать его Советам или арестовать за «антирумынскую деятельность».