Родился в деревне Мацы, ныне Пружанского района Брестской области Республики Белоруссия в крестьянской семье.
Служил в Русской императорской армии с 1915 года по 1917 год, курсант — 3-й Московской школы прапорщиков, поручик. Сражался в боях Первой мировой войны на Северном фронте.
В Красной гвардии с 1917 года. В Красной Армии с 1918 года. Член РКП(б) с 1918 года.
В Гражданскую войну М. А. Антонюк начальник топографического отдела, помощник и начальник боевого участка, военный представитель Реввоенсовета, командир 7-го Нежинского полка, бригады 44-й стрелковой дивизии, Мозырской группы войск. Окончил Военную академию РККА (1921 год и 1924 год).
В межвоенный период с июля 1924 года до октября 1930 года последовательно командовал 4-й Туркестанской, 5-й Витебской им. Чехословацкого пролетариата, 3-й Крымской стрелковыми дивизиями. С октября 1930 года по февраль 1931 года — преподаватель Военной академии имени М. В. Фрунзе. С февраля 1931 года — командир и военком 8-го стрелкового корпуса в Украинском военном округе. 20 ноября 1935 года М. А. Антонюку присвоено звание комкора. С июня 1937 года — командующий войсками Сибирского военного округа. В июне 1938 года репрессирован по показаниям бывшего коменданта Кремля П. П. Ткалуна, освобождён от должности командующего СибВО с направлением в распоряжения Управления по командному составу. Положение М. А. Антонюка усугублялось тем, что его младший брат, капитан, тоже был арестован и находился под следствием. С большим трудом ему удалось оправдаться, и в декабре 1938 года он получил назначение преподавателем тактики в Военной академии им. М. В. Фрунзе. С июня 1940 года — начальник пехоты РККА. 4 июня 1940 года М. А. Антонюку присвоено звание генерал-лейтенант. С 2 августа 1940 года — заместитель генерал-инспектора пехоты РККА.
В начале Великой Отечественной войны занимался комплектованием, формированием и расформированием стрелковых и кавалерийских соединений, подготовкой маршевого пополнения. С августа 1941 года командующий Петрозаводской оперативной группой войск 7-й армии, а с сентября — 48-й армией Ленинградского фронта, которая под ударами превосходящих сил противника вела бои в районе города Шлиссельбург, 14 сентября полевое управление армии расформировано, а М. А. Антонюк назначен командующим группой войск 54-й армии Ленинградского фронта на мгинском направлении. С октября 1941 года находился в распоряжении Маршала Советского Союза К. Е. Ворошилова, сдавшего командование войсками Ленинградского фронта генералу армии Г. К. Жукову. С июня 1942 года М. А. Антонюк — командующий 60-й армией, которая была создана на базе 3-й резервной армии. С сентября 1942 года — заместитель, затем командующий 2-й резервной армией Ставки ВГК. С апреля 1943 года заместитель командующего войсками Степного военного округа (с 10 июля 1943 года — Степной фронт). В этой должности М. А. Антонюк проделал большую работу по подготовке войск к предстоящим боевым действиям, проявив высокие организаторские способности, твёрдую волю и решительность в выполнении задач, поставленных командующим войсками фронта. Это позволило войскам фронта успешно действовать в Белгородско-Харьковской наступательной операции и освобождении городов Белгород и Харьков. С октября 1943 года М. А. Антонюк — помощник командующего войсками Прибалтийского (с 20 октября 2-го Прибалтийского) фронта, войска леаого крыла которого во взаимодействии с 1-м Прибалтийским фронтом вели наступление на витебско-полоцком направлении. В январе-феврале 1944 года фронт участвовал в Ленинградско-Новгородской наступательной операции. Наступлением в районе Новосокольников войска фронта сковали 16-ю немецкую армию и не допустили переброски её сил под Ленинград и Новгород. В ходе Старорусско-Новоржевской операции они продвинулись на 110—160 км и вышли на подступы к Острову, Пушкинским Горам, Идрице. В июле 1944 года войска фронта провели Режицко-Двинскую операцию и продвинулись на запад до 200 км. В управлении войсками командующему фронтом в ходе операций активную помощь оказывал М. А. Антонюк.
После войны с октября 1945 года по май 1946 года — заместитель командующего войсками Львовского военного округа по высшим учебным заведениям. С 1947 года в отставке.
Скончался 30 июля 1961 года в Москве, похоронен на Новодевичьем кладбище.
Иностранные ордена