В начале января Антонов был командирован на Брянский фронт в расположение 18-го отдельного стрелкового корпуса в качестве представителя Ставки. Здесь Антонов занимался координацией действий соединений фронта в Острогожско-Россошанской операции, победно завершившейся 27 января, а также в Воронежско-Касторненской операции (24 января — 17 февраля). На фронте Антонов проработал до конца марта 1943 года, и его деятельность получила высокую оценку как начальника Генштаба, так и Сталина. После возвращения в Москву и первого доклада в Ставке, Антонов впоследствии стал бывать у Сталина по нескольку раз в день. На должности Антонов много сделал для оптимизации работы Управления: например, только при нём в Управлении и во всём Генштабе была введена единая универсальная система условных топографических знаков рабочих карт. Было установлено жёсткое расписание рабочего дня. Так, Антонову полагалось находиться при исполнении своих обязанностей 17—18 часов в сутки, на отдых отводилось время с 5—6 утра до полудня. По воспоминаниям заместителя Антонова Штеменко, «досконально знающий обстановку, он тем не менее к каждому докладу в Ставке готовился по 2—3 часа. С подчинёнными Антонов был тактичен, никогда не повышал голоса, однако и на поощрения был скуп, почти никогда не записывал, но в то же время всё помнил». В связи со всё возрастающей нагрузкой на Генеральный штаб по приказу Антонова в его структуре было создано Главное организационное управление, а также Управление по использованию опыта войны. В подчинении Оперативного управления был создан корпус офицеров-представителей Генерального штаба.