1 мая 1918 года прапорщик Антонов был уволен в запас. Он поступил в Петроградский лесной институт, работая в продовольственном комитете города.

11 апреля 1919 года в жизни Алексея Иннокентьевича Антонова наступил новый этап – он был призван в Красную Армию. Антонов зачисляется сначала в 1-ю Московскую рабочую дивизию, а затем переводится в 15-ю Инзенскую дивизию. Он принимает участие в боях под Луганском, Лисками, Валуйком, Волчанском, Коротояком, Ростовом-на-Дону и Азовом. В марте 1920 года он воевал с белогвардейцами на Северном Кавказе. Боевой путь Алексей Иннокентьевич прошел помощником начальника штаба бригады. На заключительном этапе гражданской войны он стал начальником штаба бригады 15-й стрелковой дивизии, которая форсировала Сиваш и громила войска Врангеля в Крыму. Его воинское мастерство, мужество и храбрость были отмечены Почетным оружием революционного военного совета республики и Почетной грамотой.

С окончанием гражданской войны Антонов проходил службу в Николаеве в должности начальника оперативной части 15-й стрелковой дивизии.

В 1926 году Антонов вступил в кандидаты РКП(б) и через два года стал членом партии.

Осенью 1927 года А.И.Антонов поступает слушателем основного (командного) факультета Военной академии им. М.В. Фрунзе. В период учебы в академии выявились его способности к военному делу и склонность к научным исследованиям. Тогда же он успешно освоил французский язык (позднее и немецкий) и получил квалификацию военного переводчика.

После выпуска из академии, в марте 1931 года, Антонов назначается начальником штаба 46-й стрелковой дивизии, дислоцировавшейся под Коростенью. Но армии нужны были штабные работники более крупного масштаба. Поэтому осенью следующего года Антонов направляется на учебу на оперативный факультет уже знакомой ему академии. Учеба на оперативном факультете повысила его теоретические знания и практические навыки военного специалиста.

В последующие годы Алексей Иннокентьевич прошел ряд штабных должностей – начальник штаба дивизии Могилев-Ямпольского укрепрайона, начальник оперативного отдела штаба Харьковского военного округа. Он принимает непосредственное участие в подготовке и проведении осенью 1935 года киевских маневров, за умелую организацию высадки крупного воздушного десанта (десантировалось 1200 человек) получив благодарность от наркома обороны СССР.

Учитывая выдающиеся способности Антонова, командование округа направило его в 1936 году для дальнейшей учебы в открывшуюся тогда Академию Генерального штаба РККА. Слушателями ее первого набора стали такие будущие военачальники, как И.X.Баграмян, А.М.Василевский, Н.Ф.Ватутин, Л.А.Говоров, М.В.Захаров. Многим из профессоров академии Антонов был известен по предшествующим годам учебы в академии им. М.В.Фрунзе.

В июне 1937 года комбриг Антонов стал начальником штаба Московского военного округа, спустя год – заместителем начальника кафедры общей тактики Военной академии им. М.В.Фрунзе. Вскоре ему присваивается ученое звание доцента, а 4 июня 1940 года – воинское звание генерал-майора.

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 первых дней войны Антонов возглавил группу, предназначенную для формирования управления Южного фронта. С 24 июня 1941 года он начальник штаба Киевского военного округа, с 27 августа – начальник штаба Южного фронта. Тяжелые оборонительные сражения, отход с боями на восток, контрудары и снова отход… Его действия на посту начальника штаба фронта, где отличные знания военного дела должны были подкрепляться незаурядными организаторскими способностями, умением предугадать замысел противника и предложить способ противостоять ему, были четкими и целесообразными.