Родилась 15 мая 1950 г. в п. Красково Люберецкого района Московской области.
В 1973 г. с отличием окончила Московский областной педагогический институт им. Н.К. Крупской (ныне - Московский государственный областной университет) по специальности "учитель английского языка".
Кандидат педагогических наук. В 2002 г. в Академии повышения квалификации работников образования защитила диссертацию по теме "Социально-педагогические аспекты проектирования региональных программ развития образования (80-е - 90-е гг. ХХ в.)".
Доктор педагогических наук. В 2005 г. в Академии повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования защитила диссертацию на тему "Региональное управление социально-педагогической системой поддержки детей группы риска".
В 1967-1972 гг. работала лаборантом, техником Всесоюзного электрического института им. В.И. Ленина (ныне Всероссийский электротехнический институт).
В 1972-1989 гг. – воспитатель группы продленного дня, учитель английского языка в средних школах №49 и №46 Люберецкого района Московской области.
В 1989 г. избрана председателем Люберецкого городского комитета профсоюзов работников образования и науки.
С 1991 по 1997 г. возглавляла отдел народного образования Люберецкого района, была председателем комитета по образованию администрации Люберецкого района.
В 1997-1997 гг. - главный специалист по международным связям Института повышения квалификации и переподготовки работников народного образования Московской области.
С 1997 по 1998 г. работала главным референтом ЗАО "Витязь" (основной вид деятельности: начальное и среднее профессиональное образование).
В 1998-2000 гг. Лидия Антонова занимала пост генерального директора фонда "Центр международных академических и обменных программ". Фонд был учрежден в 1997 г. решением Департамента по образованию Московской области совместно с ЗАО "Витязь" для реализации соглашения между департаментами образования Московской области и штата Вирджиния (США). Документ предусматривал организацию обменов учащимися, педагогами, организацию стажировок и т. д.
14 апреля 2000 г. была назначена министром образования в правительстве Московской области. Занимала должность до 2012 г.
С ноября 2012 г. до октября 2014 г. - первый заместитель председателя правительства Московской области по социальному блоку (правительство возглавлял губернатор области Андрей Воробьев).
Одновременно 3 октября 2012 г. стала депутатом Московской областной думы V созыва на непостоянной основе (получила вакантный мандат депутата от "Единой России" Алексея Бодункова).
В 2014-2016 гг. - член Совета Федерации РФ. 9 октября 2014 г. наделена полномочиями сенатора, представителя от законодательного органа государственной власти Московской области. Была членом комитета Совфеда по науке, образованию и культуре.
20 ноября 2014 г. стала секретарем Московского областного регионального отделения партии "Единая Россия".
В 2016-2021 гг. - депутат Государственной думы РФ VII созыва. Был избрана 18 сентября 2016 г. от партии "Единая Россия" по Люберецкому одномандатному избирательному округу №121 (Московская обл.). Набрала 49,28% голосов, второе место занял директор совхоза им. Ленина Павел Грудинин от КПРФ - 13,14%. Член фракции "Единая Россия", входила в комитет по образованию и науке.
Действительный член (академик) Российской академии образования, член президиума академии.
Награждена орденом Почета (2009). Имеет благодарность правительства РФ (2019).
Имеет знак "За заслуги перед Московской областью" II степени (2015), орден Святой равноапостольной княгини Ольги Русской православной церкви.
Заслуженный учитель Российской Федерации (2003), заслуженный работник образования Московской области.
Почетный гражданин Московской области (2016).
Автор ряда научных работ, в том числе "Социально-педагогическая защита детства в системе образования Московской области" (2004), "Региональное управление социально-педагогической системой поддержки детей группы риска" (2004; монография), "Региональная система образования: проблемы, подходы, тенденции развития" (2006; под ред. Л. Антоновой) и др.