Николай Дмитриевич родился в 1906 году в городе Великие Луки Псковской губернии.

После окончания рабфака работал на вагоноремонтном заводе им. М. Гельца. В 1930 году был направлен на учебу в Московский институт инженеров железнодорожного транспорта. В мае 1931 года Антонов добровольно вступил в ряды Рабоче-крестьянской Красной армии (РККА), после чего направлен на учёбу в 1-ю Качинскую военную школу лётчиков имени А. Ф. Мясникова, после окончания которой с июля 1932 года стал служить в ней же на должностях инструктора-пилота, инструктора-лётчика, командира звена и командира отряда. В январе 1939 г. назначен на должность военного комиссара 7-го истребительного авиаполка в составе Ленинградского военного округа, находясь на которой принял участие в советско-финской войне. 21 марта 1940 г. ему присвоено звание Героя Советского Союза.

В мае 1940 года был назначен на должность военного комиссара 42-й истребительной авиационной бригады (Белорусский военный округ), а в октябре того же года — на должность командира 154-го истребительного авиационного полка (Ленинградский военный округ). Полк под его командованием в составе 39-й истребительной авиационной дивизии нёс патрульную службу в системе ПВО Ленинграда.

В ходе обороны Ленинграда корпус под командованием Антонова произвёл более 45 400 боевых самолетовылетов, а также 1418 воздушных боёв, в которых сбил 925 самолётов противника, а во время штурмовых действий по аэродромам и войскам противника было уничтожено ещё 119 самолетов, а также 38 танков, а также уничтожено 74 и подавлено 112 артиллерийских и миномётных батарей.

К концу марта 1943 года Н. Д. Антонов (к тому времени уже командир корпуса!) принял участие в 78 боевых вылетах, в 17 воздушных боях сбил 3, а в группе — ещё 2 самолета противника

После войны занимал командные должности разных округов.

В 1991 году на доме № 1 по улице Куйбышева была установлена мемориальная доска. Текст на доске гласит: «В этом доме с 1962 по 1986 год жил выдающийся военачальник, командир 2-го Гвардейского ленинградского истребительного авиакорпуса ПВО, гвардии генерал-полковник Николай Дмитриевич Антонов».

Скороходов, А. Они защищали небо Ленинграда! Герой Советского Союза Николай Дмитриевич Антонов / А. Скороходов // Посадский вестник. – 2016. – № 2. – С. 4-5