С расформированием частей царской армии в 1918 году, он уволился в запас и почти целый год трудился в продовольственном комитете Петрограда.

Коренной перелом в судьбе Алексея Иннокентьевича наступил 11 апреля 1919 г., когда он подал рапорт о вступлении в ряды Красной Армии. С тех пор в должности начальника штаба бригады, а затем и дивизии началось освоение им премудростей штабной службы.

Отгремели последние залпы гражданской войны. Для Антонова наступил период глубокой и напряженной учебы, ратного труда по укреплению боеготовности частей и соединений Советской Армии. Он последовательно закончил: в 1931 году – Военную академию им. Фрунзе, в 1933 году оперативный факультет этой же академии, в 1937 году – Академию Генерального штаба.

В процессе учебы выявилась его склонность к научным исследованиям, и развился аналитический склад ума. По окончании оперативного факультета ему в аттестации сделали такую запись: «Отличный оперативно-штабной работник. Готов для работы в высших штабах».

С получением очередного диплома, как правило, происходило повышение по службе. В 1937 году он уже возглавлял штаб Московского военного округа.

Репрессии в то инквизиторское время Антонова обошли стороной, однако в какой-то степени повлияли и на его судьбу. Перспективного, полного энергии начальника штаба столичного округа перевели на кафедру общей тактики академии им. Фрунзе, где он и преподавал около двух лет.

Начало Великой Отечественной войны он встретил на посту заместителя начальника штаба Киевского особого военного округа. Вот тогда-то оперативно-стратегическое дарование Алексея Иннокентьевича раскрылось разносторонне и ярко.

С августа 1941 г. Антонову поручают руководить штабом Южного фронта, затем – Северо-Кавказского и Закавказкого.

Редкие организаторские способности Антонова в сочетании с умением разгадать замысел врага и найти способы их разрушить, определить последствия принимаемых мер – все это обратило внимание на него высшего руководства. На исходе второго военного года его пригласили служить в Генеральный штаб.

В июне 1941 г. Генеральный штаб был подчинен Верховному Главнокомандующему и являлся основным органом управления Ставки Верховного Главнокомандования по стратегическому планированию и руководству вооруженными силами на фронтах. Ведущая роль в штабе принадлежала Оперативному управлению, куда стекалась вся информация, готовились доклады и предложения Верховному Главнокомандующему, отсюда на фронты исходили директивы и приказы, осуществлялся контроль за их исполнением. Это был мозговой центр Генштаба.

Оперативное управление обязано было знать и анализировать» все, начиная с данных о противнике и кончая ходом подготовки резервов в глубоком тылу.

Подыскать человека на должность начальника Оперативного управления очень сложно, ибо он должен обладать высокой штабной культурой, эрудицией, четким и кратким изложением мысли, грамотной речью и т. д., не говоря уже о даре предвидения и фанатичной работоспособности. Только за шесть месяцев войны сменилось по разным причинам шесть начальников Оперативного управления, хотя все они были грамотными генералами.

Антонов Алексей Иннокентьевич пришелся по душе и Верховному Главнокомандующему, и всему штабному коллективу.

Два раза в сутки, в вечернее (ночное) время, Антонов выезжал вместе с начальником Генерального штаба на доклад в Ставку. (Существовал еще утренний доклад по телефону). Заслушивание начиналось с характеристики действий советских войск за истекшие 24 часа.

Сталин не терпел ни малейшего вранья или приукрашивания истинного положения.

Антонов ничего не скрывал, смело излагал, что происходило и действительности, отстаивал свое мнение, а, при необходимости, осмеливался возразить крутому вождю.

За знание дела, прямоту и правдивость он пользовался у Сталина авторитетом. Коллектив его полюбил за исключительную работоспособность, удивительно ровный, уравновешенный характер, за твердость и настойчивость, уважительное отношение к подчиненным.

Маршал Советского Союза А.М.Василевский, будучи тогда начальником Генерального штаба, говорил о нем, как об «обаятельнейшем человеке и выдающемся оперативном работнике». Не каждому давалась подобная характеристика.

Через пять месяцев (в 1943 году) Антонова назначили первым заместителем начальника Генштаба, а практически он возглавил его, так как Василевский постоянно находился в действующей армии, выполняя задания Ставки.

Антонов прочно держал в руках все нити оперативного руководства боевыми действиями от Белого до Черного морей и Тихого океана.

Командующие войсками фронтов, прежде чем являться в Ставку, обязательно предварительно обсуждали с Антоновым свои намерения в предстоящих баталиях, сверяли правильность суждений, точки зрения.

Характерная черта Антонова как оператора-стратега состояла (по заключению генерала армии С.М.Штеменко) в том, что в основе замысла операции он предусматривал «сосредоточение сил и разгром какой-либо определенной группировки противника и никогда не подменял ее только задачей захвата территории».