Родился 7 февраля 1906 г. (по старому стилю 25 января 1906 г.) в дер. Троица Вороновской волости Подольского уезда Московской губернии (ныне в составе Троицкого административного округа г. Москвы) в семье Анны Ефимовны (в девичестве Бикорюкина) и инженера- строителя Константина Константиновича Антоновых. В 1912 г. вместе с семьей переехал в Саратов. В юном возрасте увлекся авиацией, со своими сверстниками создал в Саратове клуб любителей авиации.
В 1925 г. поступил в Ленинградский политехнический институт (ныне Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого) на отделение гидроавиации корабельного факультета. Окончил вуз в 1930 г.
В 1960 г. в Московском авиационном институте защитил диссертацию на соискание степени доктора технических наук. Профессор (1978). Академик Академии наук Украинской ССР (1968) и Академии наук СССР (1981).
С 1923 г. был ответственным секретарем планерной секции при Саратовском губернском отделе Общества друзей Воздушного флота. Сконструировал свой первый планер - учебный аппарат под названием "Голубь" (ОКА-1), с которым в 1924 г. участвовал во втором слете планеристов в Коктебеле (Крым). Будучи студентом, возглавлял технический комитет планерной секции Ленинградского аэроклуба и построил учебные планеры ОКА-2 и ОКА-3.
После окончания института был направлен в Москву для организации центрального конструкторского бюро по планерам. С декабря 1930 г. возглавлял Центральное бюро планерных конструкций Осоавиахима (Общество содействия обороне, авиационному и химическому строительству). В 1933-1938 гг. был главным конструктором планерного завода, построенного в Тушино (в то время пригород, ныне район Москвы).
В 1938-1940 гг. работал ведущим инженером по учебно-тренировочным самолетам в ОКБ завода № 115 (ныне ОКБ им. А. С. Яковлева, Москва), главным конструктором которого был Александр Яковлев.
С 1940 г. - главный конструктор авиазавода №23 в Ленинграде, с весны 1941 г. - главный конструктор авиазавода в г. Каунасе (Литовская ССР, ныне Литва).
С июня по июль 1941 г. - главный инженер Планерного управления Наркомата авиационной промышленности СССР.
После начала Великой Отечественной войны, с июля 1941 г. - главный конструктор планерного авиазавода в Москве. Разработал многоместный десантный планер А-7. В октябре того же года завод был эвакуирован Тюмень, где было изготовлено свыше 500 таких планеров.
В феврале 1943 г. Олег Антонов вернулся в ОКБ Александра Яковлева и занял должность заместителя главного конструктора. Одновременно, с октября 1945 г. по 1946 г. возглавлял филиал этого ОКБ при Новосибирском авиазаводе им. В. П. Чкалова. Занимался работой по совершенствованию истребителей Як-7, Як-9 и Як-3, одних из самых массовых самолетов Великой Отечественной войны.
31 мая 1946 г. был назначен главным конструктором Опытного конструкторского бюро (ОКБ-153), которое было образовано на Новосибирском авиазаводе постановлением ЦК ВКП(б) и Совета министров СССР.
Одновременно, с сентября 1946 г. по 1952 г. возглавлял Сибирский научно-исследовательский институт по авиации.
Летом 1952 г. ОКБ-153 было переведено в Киев (Украинская ССР, ныне Украина), где было налажено производство самолетов (впоследствии предприятие было переименовано в Авиационный научно-технический комплекс им. О. К. Антонова, АНТК; ныне госпредприятие "Антонов" в составе госконцерна "Укроборонпром"). В 1962-1984 гг. Олег Антонов являлся генеральным конструктором предприятия.
Всего авиаконструктор создал 52 типа планеров и 22 типа самолетов, а также десятки других летательных аппаратов. Разработал серию цельнометаллических планеров А-11, А-13, мотопланер А-13М и др. Первым продуктом ОКБ Антонова в Киеве стал многоцелевой самолет Ан-2 (выпускался более 50 лет, произведено более 18 тыс. экземпляров). Затем были разработаны транспортные самолеты Ан-8, Ан-12, Ан-22 "Антей", Ан-26, Ан-32; пассажирские Ан-10, Ан-14 "Пчелка", Ан-24; многоцелевые Ан-3 и Ан-28; реактивные транспортные Ан-72 и Ан-124 "Руслан". На самолетах, созданных непосредственно под руководством Олега Антонова, было установлено около 240 мировых авиационных рекордов.
В 1977-1984 гг. заведовал кафедрой конструкции самолетов Харьковского авиационного института им. Н. Е. Жуковского (ныне Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского).
Являлся членом КПСС (с 1945 г.), избирался депутатом Верховного совета СССР (с 1958 г.).
Скончался 4 апреля 1984 г. на 79-м году жизни. Похоронен на Байковом кладбище в Киеве.
Герой Социалистического Труда (1966). Лауреат Сталинской (1952; за самолет Ан-2) и Ленинской (1962; Ан-12) премий, Государственной премии Украинской ССР (1976; Ан-24).
Был награжден тремя орденами Ленина (1957, 1966, 1975), орденами Трудового Красного Знамени (1944), Отечественной войны 1-й степени (1945), Октябрьской Революции (1971), медалями.
Удостоен золотой медали им. А.Н. Туполева АН СССР (1983).
Заслуженный деятель науки и техники Украинской ССР.
Автор около 200 научных трудов, книг "На крыльях из дерева и полотна" (1962), "Для всех и для себя" (1965), "Десять раз сначала" (1969), "Муза в храме науки" и др. Олегу Антонову принадлежат 72 авторских свидетельства на изобретения.
Был трижды женат. Первая супруга - Лидия Сергеевна Кочеткова, вторая - Елизавета Аветовна Шахатуни. Третья - Эльвира Павловна Антонова, инженер- программист.
Дети: сын Роллан (первый брак); дочь Анна (второй); сын Андрей и дочь Лена (третий).
Увлекался живописью и сам рисовал, организовывал в Киеве и Москве художественные выставки "Ученые рисуют". Летал на планерах, играл в теннис и пинг-понг.