Родился 25 февраля 1908 года в Льеже, Бельгия, в семье революционеров. Отец — Василий Григорьевич Антонов.
В 1908 году (по совету Луначарского) семья перебралась в Италию и жила там до 1917 года.Осенью 1917 года вернулись в Россию.1920—1922 годы — жизнь в Чите, Владивостоке, так как отец был одним из руководителей Дальневосточной республики (ДВР).Потом опять жизнь за границей, где на различных должностях работал отец.
С 1924 года — живет у родственников в городе Щигры Курской области, где в 1925 году окончил школу.
В 1926 году — поступил на физико-математический факультет МГУ, специальность «теоретическая физика» , который окончил в ноябре 1930 года.
В 1929 году, при сдаче практикума по физике познакомился с С. И. Вавиловым.После окончания университета вместе со своими бывшими однокурсниками В. А. Фабрикантом, Владимиром Морозовым, Виктором Гинзбургом, Валентином Пульвером получил распределение в светотехническую лабораторию Московского электротехнического института.Первая научная работа опубликована в 1930 году.
С 1932 по 1933 годы — работает в НИИФ МГУ.
С 1933 по 1936 годы — аспирантура НИИФ МГУ, тема диссертации: «Закон затухания фосфоров» .Из письма С. И. Вавилова академику Н. П. Горбунову: <...> Я имел возможность следить за работой и развитием Антонова в течение 6 лет и могу констатировать, что из него выработался хороший физик экспериментаторс самостоятельной теоретической мыслью и инициативой и умением рационально экспериментировать. Такой физик очень нужен Лаборатории фосфоресценции Физического института АН, являющейся единственной лабораторией по этому вопросу в СССР. <…>С 1936 по 1940 годы — докторантура ФИАН, тема диссертации: «Механизм свечения фосфоров» .
С 1935 года — работа в ФИАНе, с 1940 по 1981 годы — в должности старшего научного сотрудника, затем — должность старшего научного сотрудника-консультанта.
В годы войны — в эвакуации в Казани, совместно с В. Л. Левшиным, З. Л. Моргенштерн и З. А. Трапезниковой наладил производство инфракрасных биноклей БИ-8 и БИ-12.Совместно с И. Б. Кеирим-Маркусом разработал дозиметры гамма-излучения, которые в дальнейшем использовались при первых космических полетах.
В пятидесятых годах 20 века в соавторстве с Б. И. Степановым, М. В. Фоком и И. П. Хапалюком опубликовал статью «Выход люминесценции системы с тремя уровнями энергии» , в которой было описано открытое явление, получившее наименование «Отрицательная люминесценция» .
В 1966 году выходит монография: «Кинетика фотолюминесценции кристаллофосфоров» .Интересные фактыПосле сильного сердечного приступа начал бегать, причем сначала на небольшие расстояния, а потом и от дома до работы, когда суммарный пробег приблизился к 40 тыс. км, сотрудники института устроили торжественный финиш.
В сумме пробежал более 100 тыс. км.
В 70 лет покорял Памир с рюкзаком весом 35 кг.