生于格罗特洛(炮兵连长)家庭。1915年进彼得堡大学学习，后因生活困难辍学，人工厂做工。1916年应征入伍，被送入学习。毕业后，授予准尉军衔，被分配到狙击兵团工作。参加过粉碎科尔尼洛夫叛乱的战斗。1919年参加苏军。参加苏军后任莫斯科工人第1师( 南方面军)副参谋长。国内战争后期，任步兵第15师所属旅参谋长，该旅曾强渡 锡瓦什湖，在 克里木消灭了 弗兰格尔的军队。

1922—1937年，安东诺夫历任步兵师作战科长到莫斯科军区参谋长一系列职务，成为一位有很高政治和军事素养的高级作战指挥人员。1928年加入苏联共产党。毕业于伏龙芝军事学院(1931)、伏龙芝军事学院战役系(1933)和总参军事学院(1937)。1938—1940年任伏龙芝军事学院合同战术教研室主任教员、教研室副主任。

卫国战争开始时，安东诺夫任 基辅特别军区副参谋长。不久任 南方面军指挥机关筹建小组组长，并于1941年8月被任命为该方面军参谋长。辅佐里亚贝舍夫中将。这个方面军打得不好，给撤了。1942年7—9月在 北高加索方面军给 布琼尼元帅当参谋长，又打得不好，方面军被撤销，降级当了黑海军队集群参谋长。没多久在斯大林格勒快要反攻的时候，总参大部分牛人都被撒出去了。斯大林认为能力强的人应该在前线。 亚历山大·米哈伊洛维奇·华西列夫斯基 和 格奥尔吉·康斯坦丁诺维奇·朱可夫在前线就不用说了， 尼古拉·费多罗维奇·瓦图京 也早在夏天就当了方面军司令员。总参谋长华西列夫斯基认为总参的工作需要一个牛人来主持。他以前比较了解安东诺夫，就向斯大林推荐。结果斯大林以为华西列夫斯基的意思是安东诺夫能力不强，问“怎么，您认为他不适合在前线干吗？”华西列夫斯基一听，赶紧大说好话。斯大林就说莫斯科的事情，我们这些人好歹还应付的过来，你就放心在前线吧。安东诺夫既然这么牛，升为 外高加索方面军参谋长。帮助 伊万·弗拉基米罗维奇·秋列涅夫大将，这个方面军也不完全是坐冷板凳，随后就作为主力打了 高加索会战。这次打赢了。

然后华西列夫斯基亲自带着安东诺夫去面见斯大林，再次推荐，安东诺夫才当了第一副总参谋长兼作战部长。1943年5月免去作战部长职务，以什捷缅科继任。 谢尔盖·马特维耶维奇·什捷缅科是总参负责高加索方向的参谋，与安东诺夫配合很好。安东诺夫升上去后，在他和华西列夫斯基的推荐下，什捷缅科也升了上去。以后苏联进行战略战役计划的核心就是斯大林，朱可夫，华西列夫斯基，安东诺夫，什捷缅科5个人。然后华西列夫斯基下部队做大本营代表了，安东诺夫就接任代理总参谋长，之后准备 库尔斯克战役，安东诺夫的能力被朱可夫大为赞赏，斯大林也很欣赏，一高兴，就在43年8月给了个大将（42年底还是中将）。在卫国战争的大部分时间里，名为总参谋长的华西列夫斯基都在前线担任大本营代表的工作， 而总参谋部实际上是安东诺夫领导的。总参谋长的职务一直给华西列夫斯基保留，直到1945年2月雅尔塔会议后，才在他一再要求下给了安东诺夫，当时也是因为 伊万·丹尼洛维奇·切尔尼亚霍夫斯基大将伤重不治，华西列夫斯基接替了他的方面军司令员职务。安东诺夫以此职务作为苏联代表团的军事代表出席了克里米亚会议(1945)和波茨坦会议(1945)。尽管担任职务极高、发挥作用极大，但由于俄国--苏联普遍轻视参谋人员的传统，他最终没能得到苏联元帅的军衔。也许是为了弥补这一点吧，安东诺夫被授予了苏联最高军功勋章— 胜利勋章！要知道，胜利勋章只发给过17个人，苏联只有斯大林、8位战时元帅和战前元帅铁木辛哥得过这一勋章。连其他的战前元帅和准战时元帅都没得过，安东诺夫是唯一一位获得该勋章的大将。由此看来，在斯大林的心目中，安东诺夫的地位应该与战时元帅们平起平坐。 但没几个月战争结束，华西列夫斯基又被任命为总参谋长，安东诺夫又降回副的。1948—1949年任外高加索军区第一副司令，1950—1954年任司令。1954年4月调回总参谋部任第一副总参谋长兼国防部部务委员会委员。1955年晋升为 华沙条约缔约国军队参谋长，直至逝世。他几乎当了一辈子的参谋长。

安东诺夫对苏联军事学术的发展做出了很大贡献。是苏联第二——六届最高苏维埃代表。获列宁勋章3枚，红旗勋章4枚，一级苏沃洛夫勋章2枚，一级库图佐夫勋章和一级卫国战争勋章各1枚，外国勋章14枚，奖章多枚，苏联“胜利”最高军功勋章1枚。葬于 红场克里姆林宫墙下。