Родился в Московской губернии. С детства начал увлекаться авиацией, участвуя в соревнованиях по планеризму. В 1930 г. Антонов оканчивает Ленинградский политехнический институт. Продолжая строительство планеров, Антонов знакомится с С.В. Ильюшиным на соревнованиях, что позволяет ему сделать очень удачные планеры «Рот фронт», «Упар» и другие.

С 1938 г. Антонов переходит на работу в КБ А.С. Яковлева. Там его первым самостоятельным заданием становится небольшой транспортный самолет ОКА-38 (СС-2). Но Антонов понял, что необходим еще более совершенный самолет с очень короткой взлетной дистанцией - не более 50 метров. Настойчивость Антонова, предложившего подобный проект, привела к тому, что в 1946 г. Антонову выделяется собственное Опытное КБ, специально для постройки нового самолета. Через год этот самолет, названный Ан-2, успешно взлетел. Бипланная схема и надежный двигатель, уже проверенный на истребителях И-15 и И-16, обеспечили Ан-2 отличные транспортные качества и универсальность использования. Самолет строился в пассажирском (на 15 человек), сельскохозяйственном, санитарном, десантном вариантах в больших количествах - свыше 14.000 шт.

Впоследствии Антоновым были созданы пассажирский Ан-10 (1957 г.) и десантный Ан-12. С тех пор Антонов оставался верен своей философии подобных машин: высокоплан с турбовинтовыми двигателями на крыле. Это позволяло облегчить погрузку - разгрузку самолета и увеличить его экономичность. Для местных авиалиний в 1959 г. появился Ан-24 с пассажировместимостью до 50 человек. Самолет получился очень надежным и безопасным, строился большой серией.

В 1965 году Антонов создает самолет - гигант - четырехмоторный транспортный Ан-22 – «Антей», способный переносить груз весом 100 тонн. Ан-22 установил 12 мировых рекордов и использовался в основном в военном, десантном варианте. Но самым большим самолетом в нашей стране стал Ан-124 «Руслан», впервые взлетевший в 1982 г. В СССР он предназначался для военных целей, а сейчас используется как транспортный самолет в авиакомпаниях Росси и Украины.