В начале января 1943 г. первого заместителя начальника Генштаба Антонова командируют на Брянский фронт в расположение 18-го отдельного стрелкового корпуса в качестве представителя Ставки. Его работа в Острогожско-Россошанской и Воронежско-Касторненской операциях внесла немалый вклад в успех Красной Армии. Заслуги и авторитет Антонова были признаны всеми, включая начальника Генштаба и лично Сталина. По возвращении он стал часто бывать у Верховного с докладами.
Немалую лепту внес он и в сам порядок работы Оперативного управления и всего Генерального штаба в целом для его оптимизации и эффективности. Среди наиболее значимых нововведений можно отметить единую универсальную систему условных топографических обозначений. Теперь карту можно было прочитать и без присутствия ее составителя, что прежде существенно осложняло и замедляло работу. Было установлено жесткое расписание рабочего дня. Повышенные требования Антонов предъявлял прежде всего к себе самому, находясь на службе в среднем по 17–18 часов в сутки. По воспоминаниям заместителя Антонова Штеменко, «досконально знающий обстановку, он тем не менее к каждому докладу в Ставке готовился по 2–3 часа. С подчиненными Антонов был тактичен, никогда не повышал голоса, однако и на поощрения был скуп, почти никогда не записывал, но в то же время все помнил».
Несмотря на более рациональное и эффективное распределение времени и усилий, объем информации, обрабатываемый Генеральным штабом, продолжал расти. В его структуре по приказу Антонова появились Главное организационное управление и Управление по использованию опыта войны. В подчинении Оперативного управления был создан корпус офицеров-представителей Генерального штаба.
Основным направлением работы Антонова было стратегическое планирование. Начиная с Курской операции, Антонов участвовал в разработке всех ключевых операций и кампаний Вооруженных Сил СССР, по нескольку раз в день бывая с тщательно подготовленными докладами у Верховного главнокомандующего И. В. Сталина. Особенно тесно в этот период генерал Антонов работал с Василевским и Жуковым. Общим замыслом операции было противопоставить ожидавшемуся на Курской дуге немецкому наступлению глубоко эшелонированную оборону, ослабляя и выматывая немецкие войска, а затем силами пяти фронтов перейти в контрнаступление и уничтожить силы противника. В целом этот замысел в ходе оборонительного этапа битвы был успешно приведен в жизнь.
«Курская дуга». Художник Н. Присекин. Фрагмент диорамы
После начала советского контрнаступления на Курской дуге, 7 августа 1943 г., Антонов пришел к выводу, что в ходе продвижения вперед нарушается принцип максимального сосредоточения сил в избранном направлении на Харьков. Отправленное в этой связи соответствующее указание командующему Воронежским фронтом генералу Ватутину чуть было не опоздало: противник воспользовался сложившейся ситуацией и контратаковал, однако вовремя подоспевшие соединения советских войск не позволили существенно изменить баланс сил. Харьковская группировка немцев была обескровлена и начала отход.
Значительный вклад А. И. Антонов внес в третью зимнюю военную кампанию, планирование которой началось в ноябре 1943 г. В замыслы Ставки ВГК входило развертывание полномасштабной наступательной операции на широком фронте от Балтики до Черного моря силами войск всех родов и фронтов. По итогам операции предполагалось освобождение Украины, Крыма и выход к границе СССР, разгром группы армий «Север», полное снятие блокады Ленинграда, создание основ для освобождения Прибалтики. Ключевыми фигурами по отработке деталей плана были Жуков, Василевский и Антонов. В ходе кампании все основные цели командования были достигнуты, а 26 марта войска вышли к границе.
А. И. Антонов (справа) и С. М. Штеменко
Разработка летней кампании 1944 г. в Генеральном штабе также велась с непосредственным участием Алексея Иннокентьевича Антонова. Об основных ее положениях Антонов в конце апреля доложил Сталину, а 1 мая последним был подписан соответствующий приказ о ее утверждении. Итогом кампании должно было стать полное освобождение оккупированных территорий СССР.
Главный удар планировалось нанести на Белорусском направлении, разработку которого прорабатывал лично Антонов. При подготовке операции «Багратион» Генштаб уделял особое внимание дезинформации противника относительно направлений главных ударов и численности войск. Необходимо было создать у противника впечатление, что летнее советское наступление начнется на Украине. Так, 3 мая Антонов дал указание командующему 3-м Украинским фронтом генералу армии Малиновскому «показать за правым флангом фронта сосредоточение восьми-девяти стрелковых дивизий, усиленных танками и артиллерией… Показать движение и расположение отдельных групп людей, машин, танков, орудий и оборудование района». Аналогичные приказы отдавались и командованию других объединений.