Противник еще находился на подступах к городу, когда штаб Южного фронта уже планировал контрудар, который с упреждением был осуществлен 17 ноября 1941 года силами 9-й, 18-й, 37-й и 56-й армий. Удар наносился в тыл 1-й танковой армии противника в западном и юго-западном направлении. В ночь на 28 ноября Ростов-на-Дону был освобожден, а немецкие части ко 2 декабря были оттеснены за реку Миус, где фронт на долгое время стабилизировался. Эта операция стала одним из первых успешных наступлений Красной Армии в Великой Отечественной войне.
13 декабря Алексей Антонов за успешно спланированную и проведенную операцию был награжден орденом Красного Знамени, а 27 декабря произведен в генерал-лейтенанты.
В начале января 1942 г. Антонов вновь проявил себя как талантливый стратег, он руководил разработкой Барвенково-Лозовской операции. Спланированное с его участием наступление советских войск юго-восточнее Харькова первоначально привело к значительному успеху. Однако ошибки Ставки и командования Юго-Западного направления привели к тяжелому поражению советских войск под Харьковом в мае 1942 г.
28 июля 1942 г. с началом битвы за Кавказ был создан единый Северо-Кавказский фронт, начальником штаба которого был назначен Антонов. Командующий Закавказским фронтом генерал армии Тюленев в своих воспоминаниях писал: «Антонов лично тщательно провел все расчеты предстоящих боевых действий, спланировал необходимые перегруппировки войск, наметил узлы сопротивления и нанесения контрударов», что позволило более эффективно и успешно вести боевые действия на этом участке фронта. Способность мыслить нестандартно побудила Антонова рекомендовать военному совету фронта создание горных батарей РСЗО (реактивные системы залпового огня) на дрезинах.
В ноябре 1942 г. Антонов был назначен начальником штаба Закавказского фронта. Ключевой задачей на этом этапе ставилось полное освобождение Северного Кавказа. В числе прочего Антонов приоритетной задачей ставил формирование дивизий по национальному принципу. До конца года было создано 19 национальных дивизий и более 200 истребительных батальонов
Белорусская наступательная операция 23 июня – 29 августа 1944 г.
Этот культурный и образованный человек производил очень благоприятное впечатление. Антонов был очень близок к Сталину, который считался с его мнением, питал к нему явную симпатию и доверие, проводил вдвоем с ним долгие часы, обсуждая положение на фронтах и планируя будущие операции. Антонов держался просто, без высокомерия и гонора. Он был всегда скромно одет – защитная гимнастерка, бриджи, сапоги, и только генеральские погоны выдавали его высокое положение в армии.
В начале декабря 1942 г. начальник Генерального штаба Василевский предложил Антонову должность своего заместителя, начальника Оперативного управления Генерального штаба, особо подчеркивая одобрение его кандидатуры лично И. В. Сталиным. 11 декабря Антонов прибыл в Москву.
До назначения Антонова начальники Оперативного управления Генштаба из-за недостаточно хорошо организованной работы сменялись 7 раз в течение полугода. В обязанности начальника управления, помимо прочего, входили ежедневные доклады Ставке о положении дел на фронтах. Первое время на посту начальника Оперативного управления Антонов к работе со Ставкой практически не привлекался. Да и работа в Генеральном штабе была для него не вполне комфортной. Он несколько раз ходатайствовал о переводе обратно на фронт, ближе к месту событий, однако постоянно получал отказ. Более того, Василевский в одном из докладов характеризовал Алексея Иннокентьевича как исключительно ценного для Генштаба и Ставки.
Премьер-министр Великобритании У. Черчилль, президент США Ф. Д. Рузвельт, глава советского правительства И. В. Сталин фотографируются для прессы. Среди присутствующих военные советники В. Леги, Д. Эйзенхауер, А. И. Антонов, Н. Г. Кузнецов (фото: архивы России). Ялтинская (Крымская) конференция союзных держав (4–11 февраля 1945).
Военные советники СССР на Ялтинской конференции. В центре – А. И. Антонов. Слева направо: адмирал С. Г. Кучеров, адмирал флота Н. Г. Кузнецов, маршалы авиации С. А. Худяков и Ф. Я. Фалалеев (РГАСПИ, Ф. 558. Оп. 11. Ед. хр. 1693). Ялтинская (Крымская) конференция союзных держав (4–11 февраля 1945).