Etter den andre verdenskrigen ble Antonov utnevnt til kommandør for Transkaukasus militærdistrikt. I 1955 ble han stabssjef for de kombinerte styrkene av Warszawapakten. Han hadde denne stillingen frem til sin død i 1962. Antonov giftet seg med den kjente ballerina Olga Vasiljevna Lepesjinskaja.