Он менее чем за месяц собрал и обработал все данные, результатом чего стали рекомендации по ведению боя, разведки, маскировки и взаимодействию сил. Проведенная Антоновым работа сыграла ключевую роль в Ростовской оборонительной операции 1941 г. Вовремя произведенная перегруппировка, тщательное укрепление оборонительных позиций и более эффективное управление действиями войск позволили предотвратить форсирование немцами реки с ходу. Более того, 1-я танковая армия фон Клейста была контрударом 9-й армии отброшена на 10–15 километров.
Благодаря глубочайшему анализу стратегии и тактики противника, прогнозированию возможных вариантов его действий угроза Ростову-на-Дону стала гораздо меньшей. Потери немецкой армии под Таганрогом составили около 35 тысяч солдат и офицеров, а немецкое командование отказалось от первоначальных планов охвата Ростова с двух сторон. 5 ноября немецкая армия двинулась напрямую к Ростову, намереваясь взять город ударом с севера.
Противник еще находился на подступах к городу, когда штаб Южного фронта уже планировал контрудар, который с упреждением был осуществлен 17 ноября 1941 года силами 9-й, 18-й, 37-й и 56-й армий. Удар наносился в тыл 1-й танковой армии противника в западном и юго-западном направлении. В ночь на 28 ноября Ростов-на-Дону был освобожден, а немецкие части ко 2 декабря были оттеснены за реку Миус, где фронт на долгое время стабилизировался. Эта операция стала одним из первых успешных наступлений Красной Армии в Великой Отечественной войне.
13 декабря Алексей Антонов за успешно спланированную и проведенную операцию был награжден орденом Красного Знамени, а 27 декабря произведен в генерал-лейтенанты.
В начале января 1942 г. Антонов вновь проявил себя как талантливый стратег, он руководил разработкой Барвенково-Лозовской операции. Спланированное с его участием наступление советских войск юго-восточнее Харькова первоначально привело к значительному успеху. Однако ошибки Ставки и командования Юго-Западного направления привели к тяжелому поражению советских войск под Харьковом в мае 1942 г.
28 июля 1942 г. с началом битвы за Кавказ был создан единый Северо-Кавказский фронт, начальником штаба которого был назначен Антонов. Командующий Закавказским фронтом генерал армии Тюленев в своих воспоминаниях писал: «Антонов лично тщательно провел все расчеты предстоящих боевых действий, спланировал необходимые перегруппировки войск, наметил узлы сопротивления и нанесения контрударов», что позволило более эффективно и успешно вести боевые действия на этом участке фронта. Способность мыслить нестандартно побудила Антонова рекомендовать военному совету фронта создание горных батарей РСЗО (реактивные