Родился 6 января 1909 года в городе Великие Луки ныне Псковской область (Россия) в семье рабочего. Русский. Член ВКП(б)/КПСС с 1929 года. Окончил рабфак, работал Великолукском паровозовагоноремонтном заводе. В 1929 году по рекомендации парткома завода был направлен на учебу в Московский институт инженеров железнодорожного транспорта.

В 1931 году был призван в Красную Армию и направлен в Качинскую военно-авиационную школу. В 1932 году, после успешного окончания летной школы, получил назначение инструктором в Качинскую военно-авиационную школу. В 1936 году за хорошую организацию учебы курсантов летному мастерству и выполнение ответственного правительственного задания командир звена Николай Антонов был награжден орденом Ленина.

В 1938 году командир авиационного отряда старший лейтенант Н. Д. Антонова был направлен на краткосрочные курсы комиссаров-летчиков при Харьковском военно-авиационном училище. После окончания курсов он получил назначение военным комиссаром 7-го истребительного авиационного полка Ленинградского военного округа.

В составе полка принимал участие в освободительном походе в Западную Украину 1939. Отличился в боях в ходе советско-финской войны 1939—1940 годов.

Военный комиссар 7-го истребительного авиационного полка батальонный комиссар Антонов совершил 30 боевых вылетов на разведку и уничтожение военных объектов. Во время боев в районе местечка Вилайоки (ныне село Великое Выборгского района Ленинградской области) лично водил подразделения полка на штурмовку противника. В январе 1940 года награжден орденом Красного Знамени.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от от 21 марта 1940 года за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с финской белогвардейщиной и проявленные личную храбрость и отвагу, умелое руководство боевой работой в тяжелых зимних условиях батальонному комиссару Николаю Дмитриевичу Антонову присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда" (N 261).

Летом 1940 года Герой Советского Союза старший батальонный комиссар Н. Д. Антонов был назначен военным комиссаром 42-й истребительной авиационной бригады.

В годы Великой Отечественной войны полковник Антонов командовал авиационной дивизией, был заместителем командира авиационного корпуса. Участвовла в обороне города Ленинграда, его летчики прикрывали "Дорогу жизни". С 23 июня 1943 года и до конца войны командовал 6-м (с 7 июля 1943 - 2-м гвардейским) авиационным корпусом ПВО, стоявшим на защите ленинградского неба.

В 1948 году окончил Военную академию Генерального штаба. Занимал ряд командных должностей. С 1970 генерал-полковник авиации Антонов — в отставке. Жил в  Ленинграде.

Умер 14 июня 1986 года. Похоронен на Богословском кладбище Ленинграда.