Родился 6 октября 1913 года в городе Царицын (ныне Волгоград) в русской рабочей семье. Получил незаконченное среднее образование, работал электромонтёром.
В 1937 году призван в Красную Армию. Член ВКП(б) (впоследствии КПСС) с 1938 года. В 1939 году окончил курсы младших лейтенантов.
На фронте с первого дня войны.
Отличился в ходе Городокской операции. 16 декабря 1943 года танковая рота 326-го танкового батальона 117-й танковой бригады под командованием капитана И. Н. Антонова участвовала в прорыве обороны противника в районе деревни Меховое, Дрожаки (Городокский район, Витебская область). Окружённая в районе станции Бычиха группа танков, самоходных артиллерийских установок и около батальона солдат противника делала попытку прорыва в направлении деревни Быки. И. Н. Антонов расположил свои танки в засаде и уничтожал противника огнём, не давая ему возможности выйти из окружения. А сам ворвался на окраину деревни, двигаясь на большой скорости по дворам и огородам, огнём и гусеницами принялся уничтожать огневые точки противника. Когда его танк был подбит, Н. И. Антонов снял с него пулемёт и занял оборону, прикрывая экипаж. Танки роты И. Н. Антонова около часа сдерживали натиск врага. В этом бою И. Н. Антонов погиб.
Действия танкистов в районе деревни Быки отвлекли на себя силы противника, лишили его возможности атаковать советские части на станции Бычиха, и способствовали успешному завершению боя по расчленению городокской группировки противника и окружению её северной части.
Похоронен на воинском кладбище в центре деревни Меховое (Городокский район Витебской области). Звание Героя Советского Союза присвоено 24 апреля 1944 года.