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.

Впоследствии частое общение Верховного Главнокомандующего с умным и немногословным моложавым генералом сделали Антонова одним из ближайших военных помощников Сталина. По мнению ближайшего его окружения, высокая штабная культура, организованность, продуманность как главной идеи, так и путей ее реализации весьма импонировали Верховному главнокомандующему. Нравилось Сталину и умение Алексея Иннокентьевича логично, аргументированно обосновывать выдвигаемые предложения.

Начиная с весны 1943 года Антонов принимал непосредственное участие в планировании практически всех последующих стратегических операций Советских Вооруженных сил. Первой из них стала для него Курская битва. Несколько раз собирались вместе Жуков, Василевский и Антонов, чтобы отработать детали плана. Операция получила название «Полководец Румянцев». Ставка утвердила направление главного удара при контрнаступлении, предложенное и обоснованное Генштабом.

В эти дни Антонов особенно много работал. Он даже не уходил из кабинета в те часы, которые по распорядку отводились для отдыха. Антонов практически совмещал две должности – начальника Генерального штаба и начальника Оперативного управления. Василевский предложил Сталину освободить Антонова от обязанностей начальника Оперативного управления, с тем чтобы он занимался только руководством Генеральным штабом в качестве первого заместителя начальника Генштаба. Верховный Главнокомандующий внимательно выслушал все доводы начальника Генштаба и согласился с ними.

20 мая 1943 года Антонов вступил в должность первого заместителя начальника Генерального штаба, получив возможность уделять больше внимания другим управлениям и отделам, от которых зависела четкая работа Генерального штаба, в интересах решения двух главных задач – отработки необходимой информации для принятия решений и оперативного руководства боевой деятельностью фронтов. Будучи человеком педантичным, Антонов внес немало нового в упорядочение работы Генерального штаба. Им, в частности, были установлены точные сроки отработки информации, время докладов представителей разведки, тыла, фронтов, резервных формирований. Он четко распределил обязанности между заместителями начальника Оперативного управления, утвердил регламент работы высших органов военного управления, в том числе Генерального штаба.

С ликвидацией харьковской группировки противника закончилась и Курская битва, победа в которой создала основу для развития наступления на Украине и для широких наступательных операций на всем фронте с целью полного изгнания врага с советской территории. За умелое планирование этой стратегической операции 27 августа 1943 года Антонову было присвоено звание генерала армии.

Основными тактическими принципами Антонова были решительность, гибкость и маневренность. Это проявлялось и в характере планов операций, над которыми он работал. Ставка Верховного главнокомандования наращивала мощь ударов по врагу, все больше расширяла фронт наступления.

В августе 1943 года Алексею Иннокентьевичу дважды пришлось вылетать в районы боевых действий Воронежского и Степного фронтов. Здесь он встречался с командующими фронтами, представителем Ставки Жуковым. Им Антонов сообщал коррективы, внесенные в план завершения наступательных операций 1943 года, и наметки Генштаба на зимнюю кампанию.

В Генеральном штабе уже разрабатывался оперативный замысел, а затем и план действий кампании 1944 года.

Открывать кампанию намечалось на Ленинградском фронте наступлением на Выборг, затем подключался Карельский фронт, действия которого выводили из войны Финляндию. Сразу же активизировались действия в Белоруссии, рассчитанные на внезапность, а когда сюда будут стянуты резервы с юга, 1-й Украинский фронт начнет мощное наступление на львовском направлении.

План белорусской стратегической наступательной операции «Багратион» был разработан совместными усилиями Ставки ВГК, Генерального штаба, командования участвующих в ней фронтов. Белорусская операция стала важной вехой в жизни Антонова, в развитии его организаторских способностей, в признании за ним выдающегося стратегического дарования. Многие командующие войсками, приезжавшие в Ставку, приходили к Антонову и советовались с ним по всем вопросам подготовки боевых действий. Доклады, присылаемые Сталину представителями Ставки, обязательно имели копию «товарищу Антонову». Все знали, что Алексей Иннокентьевич предпримет по этим докладам все необходимое.

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.