Позже бывший преподаватель этой академии А.В. Голубев вспоминал: «Все слушатели учились хорошо. Их подготовка к каждому занятию была отличной. И все же по курсу, который я вел, – тактика высших соединений – выделялся Антонов. Хорошее знание им французского языка, владение немецким языком давало ему возможность использовать передовые взгляды зарубежных военных специалистов. Хорошо помню его реферат «Армейская наступательная операция с преодолением водного рубежа». При его разработке был использован многочисленный исторический материал, на основе которого делались аргументированные выводы. В обсуждении этого реферата приняли участие практически все слушатели, и он вызвал большой интерес и у преподавателей».
Репрессии 1937 года не позволили Алексею Иннокентьевичу пройти весь курс обучения в Академии Генерального штаба. Осенью 1937 года он был выпущен из академии досрочно в составе большой группы слушателей и назначен заместителем кафедры тактики Военной академии имени М.В. Фрунзе. Но, как видно, к тому времени он уже «перерос» уровень тактики, смотрел намного дальше и шире…
16 марта 1941 года Алексей Иннокентьевич вступил в должность заместителя начальника штаба Киевского особого военного округа. В этой должности он встретил Великую Отечественную войну.
С начала войны на базе Киевского особого военного округа был развернут Юго-Западный фронт, и практически все управление округа вместе с его командующим М.П. Кирпоносом вошло в состав управления этого фронта, командный пункт которого был развернут в районе Тернополя. Управление военного округа оставалось в Киеве, занимаясь в основном вопросам отмобилизования и развертывания резервов. А.И. Антонов 24 июня 1941 года был назначен начальником штаба Киевского военного округа.
Между тем враг неудержимо приближался к столице советской Украины. Уже в конце июля передовые немецкие части вышли к границе Киевского укрепленного района. В начале августа 6-я и 12-я армии были окружены в районе Умани. Штаб Юго-Западного фронта всеми силами пытался передать окруженные армии вновь созданному Южному фронту, который реально уже не мог принять управление ими. В результате обе армии оказались разгромленными противником, а большая часть их личного состава оказалась во вражеском плену.
После этого немецкие, румынские и венгерские войска устремились к Днепру, тесня перед собой разрозненные силы Южного фронта (командующий генерал армии И.В. Тюленев). 27 августа 1941 года начальником штаба Южного фронта был назначен генерал-майор А.И. Антонов.
Становление начальника штаба фронта проходило в крайне сложных условиях. Войска вели тяжелые оборонительные сражения, отходя с боями на восток. Первым важным этапом становления Антонова как крупного штабного работника стало контрнаступление под Ростовом. Его вклад в разгром танковой группировки генерала Э. Клейста был отмечен награждением 13 декабря орденом Красного Знамени, а 27 декабря присвоением звания генерал-лейтенанта.
С первых дней нового, 1942 года штаб Южного фронта приступил к подготовке Барвенково-Лозовской наступательной операции. К сожалению, эта операция, проведенная совместными усилиями Юго-Западного и Южного фронтов в период с 18 по 31 января, не получила своего полного завершения. Войска фронтов смогли успешно прорвать вражескую оборону в полосе более 100 километров и продвинуться в глубину на 90—100 километров, но им не удалось, как планировалось, окружить и уничтожить противостоявшую группировку противника. Более того, последовавший в конце июля контрудар группы армий «А» вермахта поставил войска Южного фронта в крайне тяжелое положение, вынудив их начать отход за Дон.
28 июля решением Ставки ВГК произошло объединение двух фронтов – Южного и Северо-Кавказского – в один, Северо-Кавказский, командующим которым был назначен С.М. Буденный, а начальником штаба – генерал-лейтенант А.И. Антонов. Началась грандиозная по масштабам, политическому и экономическому значению битва за Кавказ, которая продолжалась пять месяцев. Вспоминая события тех дней, Родион Яковлевич Малиновский (заместитель командующего войсками Северо-Кавказского фронта) так характеризовал Антонова: «Он, несомненно, обладал незаурядными организаторскими способностями, гениальным постижением замыслов противника и умением хитроумно разрушить эти замыслы». «Ледяной сфинкс» – так называл его дивизионный комиссар С.М. Ларин, член Военного совета фронта, имея в виду, наверное, невозмутимость, уравновешенность и некую непостижимость характера Антонова. И любопытно, что Семен Михайлович сразу подчинился «ледяному сфинксу», отзывался о нем в разговоре с высшим начальством с восторгом». По итогам битвы за Кавказ Алексей Иннокентьевич был награжден вторым орденом Красного Знамени.
