Григорий Сергеевич Антонов родился 23 января (11 января - по старому стилю) 1900 года в деревне Окорокова Одоевского уезда Тульской губернии (ныне деревня Окороково Одоевского района Тульской области) в крестьянской семье. Русский. Образование среднее. В 1919 году Григорий Антонов вступил в ряды РККА (с 05.05.1919 года) и сражался за Советскую власть на заключительном этапе Гражданской войны. В 1927 году стал членом ВКП(б). До начала Великой отечественной войны служил на разных офицерских должностях в Красной Армии. В ноябре 1938 года полковник Г. С. Антонов назначен командиром 61-го стрелкового полка 45-й стрелковой дивизии 5-й армии РККА. В сентябре 1939 года участвовал в освободительном походе в Западную Украину в составе Украинского фронта. Перед войной полк дислоцировался в Любомле.
В бои с немецко-фашистскими войсками 61-й стрелковый полк под командованием полковника Г. С. Антонова вступил 22 июня 1941 года и отличился уже в первые часы войны. Укомплектованный на 62-68 % стрелковый полк атаковал превосходившие его по численности и вооружению части немецкой 56-й пехотной дивизии и отбросил их к государственной границе СССР. Но это был только локальный успех Красной Армии. Во время отступления советских войск к Киеву полковник Г. С. Антонов был тяжело ранен.
В конце августа 1941 года ещё не вполне оправившийся от контузии Григорий Сергеевич выписался из госпиталя. Командованием была поставлена задача по скорейшей организации подготовки кадров для действующей армии. Полковник Антонов был назначен начальником штаба 12-й запасной пехотной дивизии, формировавшейся в Башкирии, на базе которой осуществлялось обучение сержантского и офицерского состава. Когда 3 марта 1942 года было создано Саранское пехотное училище, Григорий Сергеевич был назначен его начальником. С марта 1942 по август 1943 года в училище было подготовлено 2459 офицеров и 5060 человек сержантского и рядового состава. В августе 1943 года полковник Г. С. Антонов с последними выпускниками училища ушел на фронт.
Григорий Сергеевич получил назначение в 62-ю гвардейскую стрелковую дивизию 37-й армии Степного фронта, где стал командиром 182-го гвардейского стрелкового полка. Принял участие в заключительной фазе Белгородско-Харьковской операции. Особо отличился в битве за Днепр. 28 сентября 1943 года войска Степного фронта вышли к Днепру южнее города Кременчуг. 182-й гвардейский стрелковый полк под командованием гвардии полковника Г. С. Антонова одним из первых форсировал реку и захватил плацдарм на рубеже Мишурин Рог - Куцеволовка. Пятнадцать суток гвардейцы отбивали яростные контратаки противника, а 15 октября 1943 года перешли в наступление и прорвали оборону противника. 22 февраля 1944 года гвардии полковнику Г. С. Антонову было присвоено звание героя Советского Союза. О награждении Григорий Сергеевич узнал в госпитале. В конце 1943 года он был серьёзно ранен. На фронт он вернулся весной 1944 года и служил до конца войны штабным офицером 37-й армии.
После войны полковник Г. С. Антонов продолжил службу в армии на различных штабных должностях Киевского военного округа. В 1952 году вышел в отставку и поселился в городе-герое Одессе. Умер Григорий Сергеевич 17 декабря 1974 года. Похоронен в Одессе.