Юрий Михайлович Антонов родился 19 февраля 1945 г. в г. Ташкенте Узбекской ССР в семье военнослужащего Михаила Васильевича и домохозяйки Натальи Михайловны Антоновых. После окончания Великой Отечественной войны отец Антонова служил в Берлине, затем в различных гарнизонах Белорусской ССР.
Юрий Антонов учился в детской музыкальной школе в г. Молодечно Минской области Белоруссии. В 14 лет руководил хором в местном железнодорожном депо. В 1963 г. окончил Молодечненское музыкальное училище (ныне - Молодечненский государственный музыкальный колледж им. М.К. Огинского) по классу аккордеона.
После окончания училища был направлен в Минск преподавателем в детскую музыкальную школу, тогда же начал работать в Белорусской государственной филармонии в качестве солиста-инструменталиста (аккордеон).
В 1964 г. призван в армию, после окончания срочной службы вернулся в филармонию. В 1967 г. стал музыкальным руководителем коллектива эстрадного певца Виктора Вуячича "Тоника".
С 1969 г. - играл на клавишных инструментах в ленинградском ансамбле "Поющие гитары". В этом же коллективе впервые попробовал себя в качестве вокалиста. Впервые популярность Юрию Антонову принесла песня "Нет тебя прекрасней" /на слова Ирины Безладновой и Михаила Белякова/, выпущенная на мини-альбоме фирмой "Мелодия" в 1971 г.
В 1970 г. Антонов переехал в Москву, где стал солистом- вокалистом ансамбля "Добры молодцы", затем оркестра "Современник" под управлением Анатолия Кролла. В середине 70-х создал ансамбль "Магистраль". Тогда же фирма "Мелодия" выпустила ряд пластинок, на которых песни Антонова исполнили "Веселые ребята", "Поющие сердца", певцы Лев Лещенко, Валерий Ободзинский.
В 1979-1981 гг. Юрий Антонов сотрудничал с группой "Аракс", в 1982 г. создал группу "Аэробус". С этими коллективами Антонов записал песни "Зеркало", "Анастасия", "Не забывай", "Море", "На улице Каштановой" и др. В 1981 г. сочинил музыку к кинофильму "Берегите женщин", впоследствии композиции Антонова также звучали в картинах "Прежде чем расстаться" (1984), "Салон красоты" (1985), "Приказ" (1987), "Хищники" (1991) и др.
Первый большой альбом Юрия Антонова был издан в 1982 г. югославской фирмой звукозаписи "Jugoton". В 1983 г. "Мелодия" выпустила пластинку "Крыша дома твоего". Популярность получила заглавная песня альбома, написанная Антоновым на слова Михаила Пляцковского для детского мюзикла "Приключения кузнечика Кузи".
В 1985-1986 гг. на студии финской фирмы "Polarvox Music" Юрий Антонов записал свой первый англоязычный альбом "My Favourite Songs". В 1986 г. выступил на церемонии закрытия Игр доброй воли в Москве с песней "Мир зависит от нас".
После 1990 г. были изданы компакт-диски Антонова "Лунная дорожка" (1990), "Mirror" (1991), "Несет меня течение" (1993), "Музыка и песни из кинофильмов" (1994), "Песни для детей" (1996), "Зеркало" (1996), "От печали до радости" (1998), "Нет тебя прекрасней. 50/30" (2001). Всего в дискографии Антонова более двадцати синглов и альбомов, проданных общим тиражом свыше 48 млн экземпляров.
Вице-президент Международного союза деятелей эстрадного искусства. Трижды лауреат российской музыкальной премии "Овация" (1996, 2000, 2001).
Заслуженный деятель искусств РФ (1993), народный артист РФ (1997). Награжден орденами "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2005) и Почета (2010), а также орденом Франциска Скорины (Белоруссия; 2010).
Разведен. Был женат трижды, двое детей: Людмила и Михаил.
Увлекается разведением домашних животных, владеет небольшим домашним зоопарком.