Начальное образование получает в домашних условиях. А с 1838 обучается живописи у А.Г.Венецианова, а летние месяцы проводит в его имении в Тверской губернии. В 1840 Антонов представляет на выставке шесть живописных работ, которые были созданы под руководством Венецианова. Посещает Императорскую академию художеств в качестве вольноприходящего ученика: сначала занимается в классе исторической живописи, затем в пейзажном — у Максима Никифоровича Воробьева.

В 1841 награжден малой серебряной медалью за картину «Зимний сад», в 1843 — большой серебряной, за что получает пенсию от общества поощрения художников. В 1845 художника направляют к князю П.Н.Лопухину в его именье Корсунь Киевской губернии для создания пейзажей южных провинций России. В декабре этого же года рисует картину «Вид лестницы в Зимнем», которую Общество поощрения художников разыграло в публичной лотерее. В 1848 удостаивается звания свободного художника перспективной живописи. Постоянно участвует в выставках Императорской Академии Художеств. В основном Антонов работал как пейзажист, но также рисовал интерьеры, исполнял копии с произведений мастеров.