Основным направлением работы Антонова как начальника Оперативного управления и заместителя начальника Генштаба было стратегическое планирование. Начиная с весенне-летней кампании 1943 года Антонов принимал участие в разработке всех важных кампаний и стратегических операций Вооружённых сил. Первой из них стала Курская операция. Активная подготовка к её проведению началась в апреле, планированием активно занимался Генштаб. В тот период генерал армии Антонов (это звание было присвоено ему 27 августа 1943) особенно тесно работал с Василевским и Г. К. Жуковым. Коллективным разумом был выработан общий замысел всей операции: планирующемуся немецкому наступлению на Курской дуге противопоставить глубоко эшелонированную оборону, обескровить немецкие войска в оборонительных боях, затем силами пяти фронтов перейти в контрнаступление и разгромить. Подготовка операции не обошлась без накладок: после двух не подтвердившихся предупреждений разведки о начале немецкого наступления 10—12 и 20 мая член военного совета Воронежского фронта Н. С. Хрущёв воспринял это как отказ немцев от наступления и просил Сталина дать приказ о нанесении упреждающего удара. Сталин был склонен с ним согласиться, и Жукову, Антонову и Василевскому «стоило некоторых усилий, чтобы убедить его не делать этого». Разошлись они с Хрущёвым и по поводу определения направления главного удара в контрнаступлении; в правильности нанесения удара в направлении Харьков — Полтава — Киев Сталина также пришлось убеждать. В самый разгар подготовки битвы на Курской дуге Антонов из-за чрезмерных нагрузок был освобождён от должности начальника Оперативного управления и сосредоточился на руководстве Генштабом. Его место занял С. М. Штеменко.