Родился 25 января (7 февраля) 1906 года в деревне Троица Вороновской волости Подольского уезда Московской губернии (ныне в составе Троицкого административного округа Москвы).

С 1912 года жил в городе Саратове. В 1915—1922 годах учился в Саратовском реальном училище (окончил 2 класса) и средней школе (ныне — СШ № 23).

С юных лет увлекался авиацией, занимался в школьном кружке любителей авиации; в 1921 году подал заявление в Красный Воздушный Флот с просьбой принять его в авиационную школу, однако получил отказ по причине возраста и приема только командиров РККА.

В 1924 году во время обучения на путейском факультете Саратовского университета, в который он поступил, чтобы быть ближе к авиации; построил свой первый планёр, организовав местный Кружок любителей авиации. В том же году учебное заведение было закрыто, и Антонову пришлось искать новое место учебы.

В 1924 году принял участие во II Всесоюзных Планерных испытаниях в Коктебеле, на горе Узын-Сырт.

В 1925 году поступил на машиностроительный факультет ЛПИ имени М. И. Калинина, который окончил в 1930 году.

В 1931 году возглавлял техническую часть Высшей лётно-планерной школы и Центрального бюро планерных конструкций Осоавиахима, занимаясь постройкой планеров (серия ОКА, серия УС / «Учебно-серийный», учебный паритель «Упар»). С 1933 года — главный конструктор планерного завода в Тушино. С 1938 года — ведущий инженер КБ Яковлева. В 1940—1941 годах — главный конструктор завода в Ленинграде.

В 1941 году получил задание по организации производства планеров в Каунасе на базе бывшего трамвайного завода, однако вскоре начавшаяся война разрушила начинания; Антонов был назначен главным инженером планерного управления Наркомата авиационной промышленности. С 1943 года — первый заместитель генерального конструктора Яковлева, 1946 руководил филиалом ОКБ в Новосибирске, позднее — своим ОКБ-153 (c 1952 — киевское ГСОКБ-473, с 1966 — Киевский механический завод, с 1984 — ОКБ имени О. К. Антонова, с 1989 года — Авиационный научно-технический комплекс «Антонов»).

В 1962 году присвоено звание Генерального конструктора ОКБ.

Член ВКП(б) с 1945 года. Депутат Совета Союза Верховного Совета СССР 5-11 созывов от Киевской области.

Жил в Киеве. Умер 4 апреля 1984 года. Похоронен на Байковом кладбище.