Учитывая выдающиеся способности Антонова, командование округа направило его в 1936 году для дальнейшей учебы в открывшуюся тогда Академию Генерального штаба РККА. Слушателями ее первого набора стали такие будущие военачальники, как И.X.Баграмян, А.М.Василевский, Н.Ф.Ватутин, Л.А.Говоров, М.В.Захаров. Многим из профессоров академии Антонов был известен по предшествующим годам учебы в академии им. М.В.Фрунзе.
В июне 1937 года комбриг Антонов стал начальником штаба Московского военного округа, спустя год – заместителем начальника кафедры общей тактики Военной академии им. М.В.Фрунзе. Вскоре ему присваивается ученое звание доцента, а 4 июня 1940 года – воинское звание генерал-майора.
16 марта 1941 года Алексей Иннокентьевич вступил в должность заместителя начальника штаба Киевского особого военного округа. В этой должности он встретил Великую Отечественную войну.
С первых дней войны Антонов возглавил группу, предназначенную для формирования управления Южного фронта. С 24 июня 1941 года он начальник штаба Киевского военного округа, с 27 августа – начальник штаба Южного фронта. Тяжелые оборонительные сражения, отход с боями на восток, контрудары и снова отход… Его действия на посту начальника штаба фронта, где отличные знания военного дела должны были подкрепляться незаурядными организаторскими способностями, умением предугадать замысел противника и предложить способ противостоять ему, были четкими и целесообразными.
Важным этапом становления Антонова как крупного штабного работника стало контрнаступление под Ростовом. Его вклад в разгром танковой группировки генерала Э.Клейста был отмечен награждением его орденом Красного Знамени, а 27 декабря присвоением звания генерал-лейтенанта.
С первых дней нового, 1942 года штаб Южного фронта приступил к подготовке Барвенково-Лозовской наступательной операции. Операция проводилась силами Юго-Западного и Южного фронтов с 18 по 31 января. Хотя в ходе ее советским войскам удалось прорвать оборону противника и продвинуться в глубину почти на 100 км, но главную задачу – окружить и уничтожить крупную немецкую группировку – полностью завершить не удалось. А последовавший в конце июля удар группы армий «А» вермахта поставил войска Южного фронта в крайне тяжелое положение, вынудив их начать отход за Дон.
28 июля решением Ставки ВГК произошло объединение двух фронтов – Южного и Северо-Кавказского – в один, Северо-Кавказский. Командующим его войсками был назначен маршал С.М.Буденный, начальником штаба – генерал-лейтенант Антонов. Пять месяцев продолжались оборонительные сражения битвы за Кавказ, в ходе которых деятельность Алексея Иннокентьевича была отмечена вторым орденом Красного Знамени. «Ледяной сфинкс» – так называл его дивизионный комиссар С.М.Ларин, член Военного совета фронта, имея в виду, наверное, невозмутимость, уравновешенность и некую непостижимость характера Антонова. С.М.Буденный сразу подчинился «ледяному сфинксу», отзывался о нем в разговоре с высшим начальством с восторгом.
Деятельность А.И.Антонова привлекла к нему внимание высшего командования. В первых числах декабря 1942 года, когда шла подготовка к наступлению, очередной разговор с начальником Генерального штаба, начавшийся, как всегда, с доклада об оперативной обстановке в полосе фронта, закончился для генерала Антонова весьма неожиданно. Александр Михайлович Василевский предложил ему перейти работать в Генеральный штаб начальником Оперативного управления.
11 декабря 1942 года генерал-лейтенант А.И.Антонов был назначен на должность начальника Оперативного управления – заместителя начальника Генерального штаба. Начался новый, насыщенный событиями большой значимости период в его жизни и деятельности.
Уже с первых дней работы в управлении почувствовалось, что к ним пришел большой знаток штабной работы. Антонов повел себя очень умно – он не стал торопиться с докладом в Ставку, а детально познакомился с людьми, тщательно изучил обстановку на фронтах, сразу же окунувшись с головой в дела Оперативного управления. Его телефон не смолкал, он вел переговоры с начальниками штабов фронтов и лично уточнял обстановку после ежедневных докладов.
Вскоре Антонов получил ответственное задание. В качестве представителя Ставки ВГК он был отправлен в командировку, чтобы разобраться с обстановкой на Воронежском, Брянском и несколько позже на Центральном фронтах, с тем чтобы внести конкретные предложения по их дальнейшему использованию. Для него это стало экзаменом на зрелость, с которым он отлично справился. Его деятельность получила высокую оценку начальника Генерального штаба и Верховного Главнокомандующего. А.И.Антонов за успешную деятельность был награжден орденом Суворова I степени и стал генерал-полковником.