1919 год был для Советской России годом трудным и славным. Полчища врагов рвались к самому сердцу Страны Советов. Однако не пришлось им торжествовать. На зов партии «Все на борьбу с Деникиным!» откликнулись сотни тысяч рабочих, крестьян, представителей трудовой интеллигенции, которые остановили, а затем и разгромили врага.
В жизни Антонова наступил новый этап — 11 апреля 1919 года он встал под боевые красные знамена и с тех пор непрерывно шел в рядах воинов Советских Вооруженных Сил. Сначала Первая Московская рабочая, затем Пятнадцатая Инзенская дивизия, где он служил на штабных должностях. В их составе он бил врага под Луганском и Лисками, под Валуйками и Волчанском, Коротояком, Ростовом-на-Дону и Азовом. В марте 1920 года Антонов был участником завершающих боев против деникинцев на Северном Кавказе и добивал последних белогвардейцев в Новороссийске. Затем, уже на заключительном этапе войны, он вначале участвовал в отражении войск Врангеля, наступавших из Крыма, а в ноябре 1920 года в составе той же Пятнадцатой Инзенской дивизии, которая форсировала Сиваш, сражался против армии белых в Крыму.
Мирные годы между гражданской и Великой Отечественной войнами были для Алексея Иннокентьевича Антонова временем глубокой и напряженной учебы и работы но укреплению боеготовности частей и соединений Советской Армии, периодом становления как коммуниста и военачальника с большим общим политическим и военным кругозором. В 1926 году тридцатилетний красный командир вступает в кандидаты РКП (б). Через два года он член партии и слушатель основного (командного) факультета Военной академии имени М. В. Фрунзе.
В процессе учебы выявились его большие способности к военному делу, склонность к научным исследованиям и аналитический склад ума. В стенах академии Антонов успешно осваивает французский язык и получает квалификацию военного переводчика. Он окреп физически, стал выносливым, научился отлично стрелять. Его аккуратность, настойчивость и добросовестность, живой пытливый ум обращают на себя внимание начальников. «В общественной и партийной работе силен», — отмечается в одной из аттестаций, написанных тогда на А. И. Антонова.
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.