В 1916 г. Алексея Антонова призывают в армию и направляют в Павловское военное училище. По окончании курса обучения новоиспеченного прапорщика назначают в лейб-гвардии Егерский полк и сразу отправляют на фронт.

В боях Первой мировой войны А. Антонов был ранен и награжден орденом Св. Анны IV степени с надписью «Захрабрость». Солдаты избирали его помощником полкового адъютанта. В мае 1918 г. прапорщик Антонов уволен в запас. Учился на вечерних курсах Лесного института, работал в продовольственном комитете Петрограда, а в апреле 1919 г. опять мобилизован в армию – теперь в РККА.

Начал службу в должности помощника начальника штаба 1-й Московской рабочей дивизии, сражавшейся на Южном фронте. После тяжелых боев в июне 1919 г. остатки этой дивизии передали в состав 15-й Инзенской стрелковой дивизии. В этой дивизии А. И. Антонов прослужил до августа 1928 г., занимая различные штабные должности.

В 1928 г. поступает в Академию им. М. В. Фрунзе, по окончании которой его назначают начальником штаба 46-й стрелковой дивизии в городе Коростень. В 1933 г. окончил оперативный факультет этой же Академии и вновь уехал на прежнюю должность. В октябре 1934 г. А. И. Антонов – начальник штаба Могилев-Ямпольского укрепрайона, а в августе 1935 г. – начальник оперативного отдела штаба Харьковского военного округа.

В октябре 1936 г. открывается Академия Генерального штаба РККА. В числе первых слушателей этого учебного заведения – А. М. Василевский, Л. А. Говоров, И. Х. Баграмян, Н. Ф. Ватутин и А. И. Антонов. По окончании Академии в 1937 г. Алексей Иннокентьевич был назначен начальником штаба Московского военного округа.

В конце 1938 г. А. И. Антонова назначают старшим преподавателем, а через некоторое время – заместителем начальника кафедры общей тактики Военной академии им. М. В. Фрунзе. В феврале 1940 г. ему присвоено ученое звание доцента, а в июне этого же года – воинское звание генерал-майора. В марте 1941 г. А. И. Антонов назначен на должность заместителя начальника штаба Киевского Особого военного округа.

Началась Великая Отечественная война. В августе 1941 г. генерал-майор А. И. Антонов – начальник штаба Южного фронта. К этому времени войска фронта велинапряженные оборонительные бои. В ходе этих боев штабом Южного фронта подготовлена и в ноябре проведена Ростовская наступательная операция, в результате которой разгромлена 1-я немецкая танковая армия. Освобожден Ростов-на-Дону, а противник отброшен от этого города на 60–80 км. С июля 1942 г. Алексей Иннокентьевич последовательно возглавлял штабы Северо-Кавказского фронта, Черноморской группы войск и Закавказского фронта. В декабре 1942 г. приказом Ставки Верховного Главнокомандования Алексей Иннокентьевич назначается первым заместителем начальника Генерального штаба и начальником Оперативного у правления.

В январе 1943 г. генерал А. И. Антонов в качестве представителя Ставки направлен на Брянский, а затем на Воронежский и Центральный фронты. Воронежско-Касторненская операция, в ходе которой Алексей Иннокентьевич занимался координацией действий войск, была успешно завершена, освобождены города Воронеж и Курск. Первой большой стратегической операцией, в планировании которой А. И. Антонов принимал участие, стала Курская битва.

20 мая 1944 г. генерал армии А. И. Антонов представил на рассмотрение Ставки план этой операции, получившей кодовое наименование «Багратион»[33]. В результате мощных ударов четырех фронтов советские войска разгромили группу армий «Центр», освободили Белоруссию, часть Литвы и Латвии, вступили на территорию Польши и подошли к границам Восточной Пруссии, продвинувшись на 550–600 км и расширив фронт наступления более чем на 1000 км.