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.
