По пути в Батурино к родителям он посетил крупнейшие научные центры Европы и России (Вена, Прага, Дрезден, Петербург, Москва) и книжные собрания крупнейших библиотек, познакомился с лучшими специалистами в области славяноведения и византинистики. В том же году по поручению Святейшего Синода Антонин исследовал на Афоне вопрос о подлинности Синайского кодекса Библии, подтвердив его древность, а в 1868 г. вел в Константинополе переговоры об окончательной передаче этой ценнейшей рукописи русскому правительству. В мае-июле 1865 г. он совершил поездку по балканским провинциям Османской империи (Македония, Фессалия, Эпир), собрав в путевых дневниках богатый археологический материал по церковной истории. В 1865 г. Антонин был назначен (временно) заведующим делами Русской духовной миссии в Иерусалиме (5 июня 1869 г. утвержден в должности ее начальника). Миссия, основанная в 1847 г., находилась в это время в сложных отношениях с Иерусалимским патриархатом и представителями других конфессий в Палестине, а также испытывала крайнее стеснение в денежных средствах, необходимых для ее работы. Антонин, благодаря тонкому пониманию политической и церковной ситуации на христианском Востоке, прекрасному знанию греческого и ряда восточных языков, а также дипломатическому таланту, сочетавшемуся с личным обаянием, сумел постепенно улучшить положение Русской миссии, укрепить ее авторитет в Палестине. Добившись более внимательного отношения к ней со стороны русского правительства и Святейшего Синода, Антонину удалось создать серьезную материальную базу для деятельности миссии в Палестине и значительно расширить существовавшую систему русского паломничества в Святую Землю. Его стараниями и на его пожертвования, полученные от частных лиц, была приобретена земля вокруг Мамврийского дуба и на Елеонской горе, где по проекту Антонина был построен русский монастырь Вознесения Господня. Прежде чем приступить к строительству, Антонин провел на этом месте археологические раскопки, в ходе которых удалось обнаружить древние мозаики (VI–IX вв.) и погребальные пещеры. Вскоре состоялась покупка участка земли в Айн-Кареме, неподалеку от Иерусалима, где был построен русский Горненский женский монастырь. На участке, купленном в Яффе, под руководством Антонина был раскопан подземный некрополь. Были приобретены также земельные участки в Иерихоне, Тивериаде, Бейт-Джале, Вифлееме, Силоаме и Анате. В 1883 г. по поручению великого князя Сергея Александровича, председателя Императорского Палестинского православного общества, на принадлежащем обществу участке рядом с храмом Воскресения Господня под руководством Антонина проводились археологические раскопки, в ходе которых были обнаружены «Судные врата», а также остатки базилики, построенной в IV в. равноапостольным императором Константином Великим (323–337 гг.). Раскопки этого места произвели сенсацию в науке, дав богатейший материал как для истории земной жизни и последних дней Спасителя, так и для истории христианских построек эпохи Константина Великого в Палестине. По личной просьбе великого князя Сергея Александровича Антонин взял на себя руководство строительством церкви во имя святой равноапостольной Марии Магдалины в Гефсимании (1885–1888 гг.).