Сергей Антимонов родился 15 июня 1880 в Курске, в семье мещан. Родители Сергея были купцами, культурой не интересовались.
Сергей же стал самоучкой. Тянулся к актёрскому ремеслу. Пробовал писать.
Однажды Сергей отправил письмо в Москву, в МХТ Немировичу-Данченко. Он сообщил, что хочет выйти на сцену театра в качестве актёра. Антимонову повезло. Спустя год театр открыл школу-студию и Владимир Иванович вспомнил дерзкое письмо юноши из Курска. Сергей выдержал труднейший конкурс и был зачислен в студенты.
Будучи студентом, Антимонов участвовал почти во всех постановках МХТ (с 1901 по 1903 гг.), исполняя небольшие роли. По окончании школы Сергей Антимонов начал гастролировать по провинциальным труппам: Тверь, Самара, Екатеринбург, Моршанск, Херсон, Нежин, Красноярск, Белгород.
В 1904 году Сергей Антимонов поставил свою первую пьесу «Белое, серое, черное». А позже, в 1908 году, после знакомства с Марией Яроцкой, которая сыграла в его пьесе «Притча о любви», Мария Каспаровна стала его супругой.
С 1908 по 1919 год Сергей Антимонов работал в пародийном театре «Кривое зеркало» в Петербурге, став одним из его создателей. Там он много играл, как главных персонажей, так и в эпизодах.
Сезон 1919—1920 года Сергей Антимонов играл в театре им. Луначарского Покровской Слободы (ныне город Энгельс), затем три сезона работал в Саратовском театре драмы им. К. Маркса. Сезон 1923—1924 года — в театре «Кривой Джимми» в Москве. С 1924 года годы Антимонов работал в Театре сатиры. С середины тридцатых много снимался в кино. В 1933—1937 — актёр Камерного театра. С 1937 года актёр на киностудии «Союздетфильм». Последние годы Сергей Антимонов работал в Театре-студии киноактёра, но выходил на сцену мало из-за тяжёлой болезни.
Похоронен в Москве на Введенском кладбище (22 уч.), рядом с женой актрисой Марией Яроцкой.