Фамилия Антонова — одна из самых распространённых русских фамилий, образованных от полной или краткой формы крестильного имени. Её основа — имя Антон, народная и сокращённая версия канонического Антоний. Само имя Антоний восходит к древнеримскому родовому имени Antonius. Его точное значение спорно, но наиболее вероятная версия связывает его с греческим anteo — «вступать в бой», «состязаться». Таким образом, в основе фамилии лежит характеристика предка как человека воинственного или соперничающего.

Модель образования типична для русских фамилий: к основе Антон- добавляется суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — сын Антона), и окончание -а, в данном случае обозначающее, что фамилия принадлежит женщине. Поэтому мужской вариант — Антонов.

В православной традиции известно около тридцати святых покровителей имени Антоний. Самый почитаемый из них — преподобный Антоний Великий (251—356), египетский пустынник, которого считают основателем христианского монашества. Его память отмечается 30 января. Встречаются в святцах и другие святые с этим именем, например, мученик Антонин-воин, казнённый в 303 году после того, как, увидев казнь Георгия Победоносца, уверовал во Христа. Есть и предание об отроке Антонине, который вместе с другими христианами был замурован в пещере в V веке и, согласно легенде, проспал там 170 лет, после чего пробудился, рассказал о себе и вскоре скончался.

Несмотря на то, что имя Антон было широко распространено среди всех сословий, некоторые ветви рода Антоновых имели дворянское происхождение. В Родословных книгах Тверской и Калужской губерний записаны дворянские роды Антоновых. Герб одного из них внесён в XVII часть «Общего гербовника дворянских родов Всероссийской империи». Известен случай, когда в 1836 году полковник Ларион Антонов получил диплом на потомственное дворянство.

Среди известных носителей фамилии — советский военачальник, генерал армии, начальник Генерального штаба в 1945—1946 годах Алексей Иннокентьевич Антонов (1896—1962); выдающийся авиаконструктор, создатель самолётов «Ан» Олег Константинович Антонов (1906—1984); и популярный певец и композитор Юрий Михайлович Антонов (род. 1945).