Разработка операции «Багратион» проводилась в строжайшей тайне, и полный ее объем знали только пять человек. Была проведена большая работа по дезинформации противника с целью убедить его, что направление главного удара следует ожидать на юге и в Прибалтике. Целью проводимой операции стало окружение и уничтожение в районе Минска крупных сил группы армий «Центр». За белорусскую операцию Алексей Иннокентьевич был награжден вторым орденом Суворова I степени.
Белорусская операция еще больше укрепила деловые взаимоотношения Антонова с Верховным главнокомандующим.
Открытие второго фронта прибавило работы Генеральному штабу. Теперь приходилось систематически информировать союзников о положении на советско-германском фронте, согласовывать объекты бомбовых ударов советской и союзной авиации, определять сроки действий и направление войск. Кроме этого, союзникам следовало решить и ряд политических проблем, таких, например, как выработка совместной политики в германском вопросе.
Вскоре Антонов был привлечен к работе в качестве военного представителя на Ялтинской конференции глав трех правительств. Он стал руководителем коллектива военных экспертов. К этой работе Алексей Иннокентьевич готовился скрупулезно, прорабатывал различные вопросы и ситуации, которые могли бы возникнуть в ходе работы конференции, изучал кипу различных документов и справок, чтобы знать любой вопрос до мельчайших подробностей. Он понимал, что союзники в первую очередь будут интересоваться ходом военных действий на советско-германском фронте и планами советского командования на будущее.
Ялтинская конференция начала свою работу 4 февраля 1945 года с обсуждения военных вопросов. Главы правительств СССР, США и Великобритании рассмотрели обстановку на европейских фронтах. О положении на советско-германском фронте информировал генерал армии Антонов. Он доложил о развернувшемся наступлении советских войск, которое началось 12 января 1945 года, раньше запланированного срока, по просьбе премьер-министра Англии. Это обращение было сделано ввиду тревожного положения, создавшегося на Западном фронте в связи с наступлением немецко-фашистских войск в Арденнах.
В ходе всех этих переговоров Антонов проявил такт и незаурядные дипломатические способности. Сталин был доволен его работой. Особенно ему понравилось, как настойчиво добивался Алексей Иннокентьевич от представителей американского и английского командования активизации действий союзных войск.
Другим решением конференции стало соглашение о вступлении СССР в войну с Японией через два-три месяца после капитуляции фашистской Германии. Прежде чем точно назвать этот срок, работникам Генерального штаба, и особенно Антонову, пришлось проделать большую работу, определить, сколько потребуется войск для разгрома Квантунской армии, откуда и когда их перебросить. Выполненные расчеты были настолько точны, что при подготовке Дальневосточной кампании в них внесли лишь незначительные поправки.
Заключительный период войны и первые послевоенные месяцы А.И.Антонов провел в должности начальника Генерального штаба, так как Василевский стал командующим 3-м Белорусским фронтом. С вступлением в эту должность круг задач, решаемых Алексеем Иннокентьевичем, значительно расширился. Объяснялось это рядом обстоятельств. Был ликвидирован институт представителей Ставки ВГК, и руководство большей части стратегических операций завершающего этапа войны стало осуществляться через Генеральный штаб. Шла подготовка к военным действиям на Дальнем Востоке. Все большего внимания требовали вопросы согласования усилий с войсками антигитлеровской коалиции.
Первые наброски плана взятия Берлина и карта города с прилегающими к нему районами появились у Антонова еще во время проведения операции «Багратион» летом 1944 года. К ноябрю 1944 года замысел ее определился и были подготовлены расчеты. Уточнения вносились в процессе Висло-Одерской, Восточнопрусской и Померанской операций, а утверждение Ставкой план получил в начале марта 1945 года.
В конце марта – начале апреля состоялось несколько совещаний по его конкретизации, в которых приняли участие командующие фронтами.