Важным этапом становления Антонова как крупного штабного работника стало контрнаступление под Ростовом. Его вклад в разгром танковой группировки генерала Э.Клейста был отмечен награждением его 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. Операция проводилась силами Юго-Западного и Южного фронтов с 18 по 31 января. Хотя в ходе ее советским войскам удалось прорвать оборону противника и продвинуться в глубину почти на 100 км, но главную задачу – окружить и уничтожить крупную немецкую группировку – полностью завершить не удалось. А последовавший в конце июля удар 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 его войсками был назначен маршал С.М.Буденный, начальником штаба – генерал-лейтенант Антонов. Пять месяцев продолжались оборонительные сражения битвы за Кавказ, в ходе которых деятельность Алексея Иннокентьевича была отмечена вторым орденом Красного Знамени. «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. С.М.Буденный сразу подчинился «ледяному сфинксу», отзывался о нем в разговоре с высшим начальством с восторгом.

Деятельность А.И.Антонова привлекла к нему внимание высшего командования. В первых числах декабря 1942 года, когда шла подготовка к наступлению, очередной разговор с начальником Генерального штаба, начавшийся, как всегда, с доклада об оперативной обстановке в полосе фронта, закончился для генерала Антонова весьма неожиданно. Александр Михайлович Василевский предложил ему перейти работать в Генеральный штаб начальником Оперативного управления.

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.