После окончания академии, проработав некоторое время в войсках на должности начальника штаба Сорок шестой стрелковой дивизии, Алексей Иннокентьевич вновь вернулся к учебе и в 1933 году окончил оперативный факультет Военной академии имени М. В. Фрунзе. Эту академию окончили многие знаменитые в будущем советские военачальники - И. С. Конев, Р. Я. Малиновский, Ф. И. Толбухин, П. С. Рыбалко, Я. Н. Федоренко, М. С. Малинин, И. X. Баграмян, В. В. Курасов и другие, - чьи дарования широко раскрылись в годы Великой Отечественной войны. Учеба на оперативном факультете Военной академии стала важной ступенью роста теоретических знаний и практических навыков А. И. Антонова. Он формировался и вырастал в крупного военного специалиста-оператора. "Отличный оперативно-штабной работник. Готов для работы в высших штабах" - так с большим предвидением характеризовал его начальник я комиссар факультета Г. С. Иссерсон.
По окончании оперативного факультета А. И. Антонов служил последовательно начальником штаба Сорок шестой стрелковой дивизии, укрепленного района и начальником Первого (оперативного) отдела штаба Харьковского военного округа. Несмотря на большую загруженность служебными делами, он постоянно стремился к расширению и обогащению своего военного кругозора, повышению знаний. Работа в штабе военного округа способствовала развитию его эрудиции и общей культуры. Следует отметить, что Алексей Иннокентьевич не останавливался на достигнутом, постоянно расширял свой общий и военный кругозор, отличался исключительной работоспособностью.
Учтя выдающиеся способности А. И. Антонова, командование округа в 1936 году направило его учиться в открывшуюся тогда Академию Генерального штаба РККА Создание этого высшего военно-учебного заведения было велением времени. Красная Армия, во всех отношениях вполне современная, не имела еще в необходимом количестве кадров с высокой оперативно-стратегической подготовкой. Вплоть до 1936 года командный состав, призванный руководить такими войсковыми оперативными объединениями, как армия и фронт, готовился только на одногодичном факультете Академии имени М. В. Фрунзе. Но во второй половине тридцатых годов жизнь настоятельно потребовала наладить более массовую и глубокую подготовку руководящих военных кадров. К тому же надо было развивать теорию оперативного искусства, чем Академия имени М. В. Фрунзе из-за своего профиля в должных размерах заниматься не могла. Учитывая все это, Коммунистическая партия и Советское правительство и приняли решение об организации нового высшего военно-учебного заведения Советских Вооруженных Сил.
