Родился 28 июня 1909 года на железнодорожной станции Капеллы, ныне Аткарского района Саратовской области, в семье железнодорожника. Закончил школу 2-й ступени в Аткарске, в 1924 году руководил в городе первыми пионерскими отрядами. Работал на дровяном складе, элеваторе, в Аткарском уездном комитете комсомола.
В Советскую Армию в 1928 году был направлен по комсомольской путёвке. Служил в 6-м кавалерийском полку ОГПУ. В 1931 году эктерном закончил военное пехотное училище. С 1937 года Антонов служил в 5-м Донском мотострелковом полку НКВД. После окончания Военной академии имени М. В. Фрунзе в 1940 году был направлен в 1-й отдельный Белостокский мотострелковый полк НКВД Управления НКВД по Латвийской ССР, дислоцированный в Каунасе. Работал начальником штаба, с мая по июнь 1941 года временно исполнял обязанности командира полка.
С первых дней Великой Отечественной войны Владимир Антонов принимал участие в боях на фронте. Работал в Управлении НКВД по охране тыла Северо-Западного фронта, затем в составе 29-й армии. Полк, в котором служил Антонов, вёл тяжёлые оборонительные бои в под Каунасом, Полоцком и в Калининской области. После гибели в бою командира полка в августе 1941 года майор Антонов взял управление полка на себя.
В ноябре 1941 года был назначен на должность командира 916-го стрелкового полка 247-й стрелковой дивизии 39-й армии, Антонов участвовал в наступательных действиях Московской битвы. В январе 1942 года был тяжело ранен.
После лечения в июле 1942 года был назначен на должность командира 256-й стрелковой дивизии, принимал участие в тяжёлых оборонительных боях битвы за Кавказ на Малгобекском направлении. С декабря 1942 года командовал 84-й морской стрелковой, 19-й стрелковой и 34-й морской стрелковой бригадами на Северо-Кавказском фронте, освобождал Кавказа и Кубани.
В июне 1943 года Владимир Антонов был назначен командиром 301-й стрелковой дивизии, переброшенная в сентябре 1943 года на Донбасс и в составе 5-й ударной армии участвовала в Донбасской, Мелитопольской, Никопольско-Криворожской операциях. Дивизия особенно отличилась при освобождении городов Макеевка и Сталино. В сентябре 1943 года на Донбассе был контужен.
В марте 1944 года дивизия была передана в 57-ю армию, в составе которой отличилась в Одесской и Ясско-Кишиневской наступательных операциях. В сентябре 1944 года 301-я стрелковая дивизия вновь была переподчинена 5-й ударной армии, которая была переброшена на 1-й Белорусский фронт. 14 января 1945 года дивизия под командованием полковника Антонова перешла в наступление с Магнушевского плацдарма и прорвала оборону противника, готовившуюся с августа 1944 года. В течение четырёх суток дивизия наступала. Задача дивизией была успешно выполнена, в прорыв двинулись другие войска. Во время этих боёв дивизия уничтожила до 1 200 солдат врага, 20 танков и штурмовых орудий, а также захватила 4 склада.
Указом № 5657 Президиума Верховного Совета СССР от 6 апреля 1945 года за умелое руководство частями дивизии при прорыве обороны противника на Магнушевском плацдарме Висло-Одерской операции и проявленные при этом храбрость и мужество, Владимиру Семёновичу Антонову присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
С апреля по май 1945 года дивизия принимала участие в Берлинской наступательной операции и при штурме Берлина. Постановлением № 1683 Совета народных комиссаров СССР от 11 июля 1945 года полковнику Владимиру Семёновичу Антонову присвоено воинское звание «генерал-майор».
В 1950 году Антонов закончил Высшую военную академию имени К. Е. Ворошилова, затем находился на ответственных командных должностях. В конце 1950-х годов был начальником военной кафедры высших учебных заведений в городе Фрунзе Киргизской ССР.
После отставки в 1964 году генерал-майор Антонов жил в Москве, где и умер 9 мая 1993 года. Похоронен на Троекуровском кладбище (участок 3).
польские награды: