Фамилия Антоньев образована от имени Антон — производной формы канонического Антоний. В основе имени лежит римское родовое имя Antonius, которое, по одной из версий, связывают с греческим глаголом «антео» — «вступать в бой, состязаться». Соответственно, предок-родоначальник Антоньевых мог получить своё имя в честь святого Антония, а фамилия буквально означает «принадлежащий Антону», точнее — «из семьи Антония».

Словообразовательная модель здесь редкая и показательная. Обычно от имени Антон образуют фамилии с суффиксом -ов (Антонов) или -ин (Антонин). В варианте Антоньев мы видим суффикс -ев, но не напрямую от имени, а от формы Антоний: сначала возникла основа Антонь- (усечённая от Антоний), к которой уже добавился притяжательный суффикс. Такая модель встречается реже и характерна для фамилий, которые закрепились в письменной, а не в устной традиции, — например, в среде духовенства или приказных людей, где имя записывали в полной церковной форме.

Географически фамилия Антоньев не была массовой. В дореволюционных справочниках она встречается эпизодически, чаще в центральных губерниях и на Русском Севере, где дольше сохранялась традиция именовать по полному каноническому имени. В современной России фамилия остаётся редкой, что делает её особенно ценной для генеалогического поиска: носители, скорее всего, происходят из одного или нескольких локальных родов, не затронутых массовыми переименованиями.

С точки зрения социального контекста, Антоньев — типичная семинарская фамилия. В духовных училищах и семинариях ученикам нередко давали фамилии, образованные от имён святых в полной, книжной форме. Так, наряду с Антоновым мог появиться Антоньев — как знак принадлежности к образованной среде, а не к крестьянской массе. Впрочем, полностью исключать и мирское происхождение нельзя: в некоторых говорах имя Антон произносили как «Антоний», и фамилия могла закрепиться в народе уже в такой записи.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Антоньев стоит особняком. Антонов — самая распространённая форма, Антонцев — указание на происхождение от отчества по прозвищу Антонец, Антошин — уменьшительная форма. Антоньев же выделяется именно книжным, «учёным» звучанием, что сужает круг возможных предков до людей, так или иначе связанных с письменностью и церковью.