Родился 3 (16) мая 1915 года в Петрограде в семье инженера-путейца, мать была дочерью крупного инженера-железнодорожника. Как писал Антонов, «всё мое окружение в детстве отличалось техническим практицизмом и скептическим отношением ко всему тому, что определяется словом „гуманитарное“ — в том числе и к литературе».

Участвовал в советско-финской и Великой Отечественной войнах (с первых до последних дней). Служил в дорожно-строительных частях, был начальником производственно-технического отдела 8-го военно-дорожного управления, строил мосты и укрепления. Прошёл Ленинградский, Волховский и 2-й Прибалтийский фронты. Войну закончил в звании инженер-майора.

Трилогия «Царский двугривенный» (1969), «Овраги» (1988) и «Васька» (1987) рассказывала о периодах НЭПа, коллективизации и индустриализации. Его произведения были переведены на многие западноевропейские языки, их неоднократно экранизировали: в частности, «Дело было в Пенькове» (1957), «Пришёл солдат с фронта» (1969), «Порожний рейс» (1963) и «Полёты во сне и наяву» (1983), в которых он также выступил в качестве сценариста И вот мне кажется, что то решение, которое мы приняли об исключении Пастернака из Союза писателей,— его приняли слишком поздно, как мне кажется. Можно было бы принять это решение год тому назад. Надо дополнить это решение — решением о том, чтобы Пастернак не был не только членом Союза писателей, но не был бы и советским гражданином.

Существовало заблуждение, что Сергей Антонов был выбран Владимиром Набоковым в его «Лекциях по русской литературе» в качестве примера совершенно подавленной полицейским государством, по его мнению, советской литературы (интересно, что автор предисловия к «Лекциям…» принял всё это всерьёз и даже уточнил имя писателя, у Набокова не приведённое, — это и был, якобы, Сергей Антонов (автор «Дело было в Пенькове» и «Васьки»), у которого, конечно же, никакого романа под названием «Большое сердце» ни в 1957, ни в каком другом году, не было).