Советский авиаконструктор, доктор технических наук, профессор. Родился 7 февраля 1906 года в селе Троицкое ныне Подольского района Московской области. С 1912 года жил в городе Саратове. В 1915—1922 годах учился в Саратовском реальном училище (окончил 2 класса) и средней школе (ныне — СШ № 23).

С юных лет увлекался авиацией, занимался в школьном кружке любителей авиации; в 1921 году подал заявление в Красный Воздушный Флот с просьбой принять его в авиационную школу, однако получил отказ по причине возраста и приема только командиров Красной Армии. В 1924 году во время обучения на путейском факультете Саратовского университета, в который он поступил, чтобы быть ближе к авиации; построил свой первый планёр, организовав местный Кружок любителей авиации. В том же году учебное заведение было закрыто, и Антонову пришлось искать новое место учебы.

В 1924 году принял участие во II Всесоюзных Планерных испытаниях в Коктебеле. В 1925 году поступил на машиностроительный факультет Ленинградского политехнического института им. Калинина, который закончил в 1930 году. 

В 1931 возглавлял техническую часть Высшей лётно-планерной школы и Центрального бюро планерных конструкций Осоавиахима, занимаясь постройкой планеров (серия ОКА, серия УС / «Учебно-серийный», учебный паритель «Упар»). С 1933 года — главный конструктор планерного завода в Тушино. С 1938 года — ведущий инженер КБ Яковлева. В 1940—1941 годах — главный конструктор завода в Ленинграде.

В 1941 году получил задание по организации производства планеров в Каунасе на базе бывшего трамвайного завода, однако вскоре начавшаяся война разрушила начинания; был назначен главным инженером планерного управления Наркомата авиационной промышленности. С 1943 года — первый заместитель генерального конструктора Яковлева, 1946 руководил филиалом ОКБ в Новосибирске, позднее — своим ОКБ-153 (c 1952 — киевское ГСОКБ-473, с 1966 — Киевский механический завод, с 1984 — ОКБ имени О. К. Антонова, с 1989 — Авиационный научно-технический комплекс «Антонов»). В 1962 году присвоено звание Генерального конструктора ОКБ.

Член КПСС с 1945 года. Депутат Совета Союза Верховного Совета СССР 5-11 созывов от Киевской области.

За большие успехи в конструировании новой авиационной техники и в связи с 60-летием со дня рождения Антонову Олегу Константиновичу Указом Президиума Верховного Совета СССР от 5 февраля 1966 года присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением золотой медали «Серп и Молот» и ордена Ленина. Награждён 3 орденами Ленина, орденами Октябрьской Революции, Отечественной войны 1-й степени, Трудового Красного Знамени. Награжден различными медалями: «Партизану Отечественной войны» 2-й степени, «За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941—1945 гг.», «20 лет победы над гитлеровской Германией», «За доблестный труд в ознаменование 100-летия со дня рождения В. И. Ленина». Лауреат: Сталинской премии, Ленинской премии, Государственной премии Украинской ССР. Заслуженный деятель науки и техники Украинской ССР. Удостоен Золотой медали имени А. Н. Туполева Академии наук СССР. Награжден Грамотой Центрального Исполнительного Комитета за создание учебных и рекордных планеров.

Жил в Киеве. Умер 4 апреля 1984 года. Похоронен на Байковом кладбище в Киеве.