Родился 15 мая 1955 г. в г. Омске.
В 1978 г. окончил Московский государственный институт международных отношений МИД СССР (ныне МГИМО МИД России), в 1983 г. - аспирантуру МГИМО.
Кандидат экономических наук. В 1983 г. защитил диссертацию по теме "Особенности индустриализации развивающихся стран: на примере стран АСЕАН".
Доктор политических наук. В 2012 г. в Институте мировой экономики и международных отношений РАН защитил диссертацию на тему "Контроль над ядерными вооружениями как фактор обеспечения национальной и международной безопасности".
С 1978 г. работал в системе Министерства иностранных дел (МИД) СССР.
В 1995-1998 гг. занимал должность заместителя директора департамента по вопросам безопасности и разоружения МИД России.
С 1998 по 2002 г. - заместитель постоянного представителя РФ при отделении ООН и других международных организациях в Женеве (Швейцария).
В 2002-2004 гг. - посол по особым поручениям МИД России. Являлся представителем России по Глобальному партнерству в "Группе восьми" (G8). Также был руководителем ряда российских правительственных делегаций, в том числе в 2003 г. на Женевской встрече по контролю за соблюдением конвенции о запрещении биологического оружия и ежегодной встрече стран - участниц конвенции 1980 г. о негуманном оружии.
С мая 2004 г. по февраль 2011 г. был руководителем департамента по вопросам безопасности и разоружения МИД РФ. В июне 2007 г. возглавлял делегацию РФ в Вене (Австрия) на чрезвычайной конференции участников Договора об обычных вооруженных силах в Европе (ДОВСЕ). В 2009 г. руководил российской делегацией, участвовавшей в разработке Договора о сокращении стратегических наступательных вооружений (СНВ-3).
С 2 февраля 2011 г. до 28 декабря 2016 г. - заместитель министра обороны РФ. Курировал вопросы международного военного сотрудничества и организации контактов российского министерства с военными ведомствами зарубежных государств, координировал деятельность управления по контролю за выполнением договоров (Национальный центр по уменьшению ядерной опасности).
С 28 декабря 2016 г. по 21 августа 2017 г. - заместитель министра иностранных дел РФ. Курировал вопросы военно-политической безопасности.
С 21 августа 2017 г. по 10 октября 2024 г. - чрезвычайный и полномочный посол РФ в США и постоянный наблюдатель РФ при Организации американских государств в Вашингтоне (по совместительству). Во главе российского диппредставительства Анатолий Антонов сменил Сергея Кисляка. 8 сентября 2017 г. новый посол вручил президенту США Дональду Трампу верительные грамоты.
В марте 2021 г. Анатолий Антонов был вызван из Вашингтона в Москву для консультаций. Об этом решении МИД РФ сообщил 17 марта, Антонов вернулся на родину 21 марта. Отношения двух стран обострились после интервью президента США Джона Байдена, записанного 16 марта телекомпанией Эй-би-си, в котором он заявил, в частности, что российское руководство должно ответить за "попытки вмешательства" в американские выборы. 16 июня 2021 г. президент России Владимир Путин на пресс-конференции по итогам встречи с президентом США Джо Байденом в Женеве сообщил, что стороны договорились о возвращении послов на места их работы. 20 июня Анатолий Антонов вернулся в Вашингтон.
5 октября 2024 г. в российском посольстве в Вашингтоне сообщили, что Анатолий Антонов завершил командировку в качестве посла России в США и возвращается в Москву.
В декабре 2024 г. стало известно, что Анатолий Антонов стал советником главы банка ВТБ Андрея Костина. Об этом сообщили в пресс-службе кредитной организации.
Член Российского совета по международным делам.
Чрезвычайный и полномочный посол (2007).
Действительный государственный советник РФ I класса (2014).
Награжден орденами "За военные заслуги", Дружбы, двумя орденами Почета (2008), Александра Невского, "За заслуги перед Отечеством" III и IV степени (2024, 2010). Отмечен Почетной грамотой (2004) и благодарностью (2023) правительства РФ.
Владеет английским и бирманским языками.
