Завершив обучение, А. И. Антонов продолжает службу на штабных должностях в 46-й стрелковой дивизии, в укрепленном районе, а также начальником Первого (оперативного) отдела штаба Харьковского военного округа. Антонов на практике смог реализовать многие теоретические положения советской военной мысли, участвуя в организации 12–17 сентября 1935 г. крупных военных маневров. За успешное завершение маневров Антонов получил благодарность наркома обороны К. Е. Ворошилова.
Полученные знания и накопленный опыт вновь выделяют его среди прочих, и в 1936 г. командование округа направляет его для обучения в недавно открытую Академию Генерального штаба РККА. Там его однокурсниками были А. М. Василевский, Н. Ф. Ватутин, И. X. Баграмян, Л. А. Говоров. Успехи в учебе выдвинули его на первый план, и уже в следующем году Антонов был назначен начальником штаба Московского военного округа. На этой должности он уделял большое внимание развитию механизированных частей, а также (исходя из опыта гражданской войны в Испании) подготовке противовоздушной и противотанковой обороны, отработке взаимодействия различных родов войск. Казалось, что у этого очень организованного и интеллигентного человека огромной энергии в сутках есть дополнительные часы. После напряженной работы с войсками столичного округа Антонов находил время для обучения слушателей на кафедре общей тактики Военной академии имени М. В. Фрунзе. Там на его занятиях советские военачальники знакомились с эволюцией практического применения немецких (в том числе — танковых) войск в ходе событий 1936–1940 гг.
Маршал авиации Ф. Я. Фалалеев, генерал армии А. И. Антонов и маршал Советского Союза Г. К. Жуков
Курская битва. Контрнаступление советских войск 12 июля — 23 августа 1943 г.
В марте 1941 г. генерал-майор Антонов получил назначение заместителем начальника штаба Киевского особого военного округа. Именно ему, знатоку боевых действий вермахта, надо было подготовить войска на западной границе СССР для отражения близившейся немецкой агрессии. Однако в полной мере выполнить эту задачу не удалось. К моменту прибытия Антонова в Киев укомплектованность войск КОВО составляла 65–70 %. 24 июня 1941 г. (с выделением из состава округа управления Юго-Западного фронта) генерал Антонов получает назначение на должность начальника штаба Киевского особого военного округа, успешно продолжая начатую им несколько ранее мобилизационную работу. Он же занимался вопросами эвакуации населения и материальных ценностей из прифронтовой полосы, формированием новых военных частей и подразделений. В августе 1941 г. Антонов ведет работу по формированию управления Южного фронта и впоследствии возглавляет его штаб.
«Просматривая архивные материалы Ставки, обращаешь внимание на то, что с конца 1943 года большинство директивных документов подписаны Сталиным вместе с Антоновым или одним Антоновым от имени Ставки».
Критическая обстановка осени 1941 г. также позволила Антонову проявить свои навыки. В конце августа — начале сентября 1941 г. немецкая группа армий «Юг» вышла к Днепру на широком фронте от Херсона до Киева, часть соединений противника уже форсировала Днепр, и к концу сентября советские войска были оттеснены на 100 километров к Мелитополю. 5 октября Антонов выдвигается на место боев в штаб 9-й армии для разработки мероприятий по выводу войск из-под угрозы окружения и обороны Ростова-на-Дону. Ведя тяжелые бои против более подготовленного противника, советское военное руководство тем не менее не игнорировало военно-аналитической работы. Генералу Антонову было поручено обобщить опыт, накопленный за первые месяцы войны.
Он менее чем за месяц собрал и обработал все данные, результатом чего стали рекомендации по ведению боя, разведки, маскировки и взаимодействию сил. Проведенная Антоновым работа сыграла ключевую роль в Ростовской оборонительной операции 1941 г. Вовремя произведенная перегруппировка, тщательное укрепление оборонительных позиций и более эффективное управление действиями войск позволили предотвратить форсирование немцами реки с ходу. Более того, 1-я танковая армия фон Клейста была контрударом 9-й армии отброшена на 10–15 километров.
Благодаря глубочайшему анализу стратегии и тактики противника, прогнозированию возможных вариантов его действий угроза Ростову-на-Дону стала гораздо меньшей. Потери немецкой армии под Таганрогом составили около 35 тысяч солдат и офицеров, а немецкое командование отказалось от первоначальных планов охвата Ростова с двух сторон. 5 ноября немецкая армия двинулась напрямую к Ростову, намереваясь взять город ударом с севера.