Ông sinh ngày 15 tháng 9 năm 1896 tại Grodno (Belorussia) trong một gia đình có cha làm sĩ quan pháo binh trong quân đội Nga hoàng. Cha ông là Innokenti Alekseevich Antonov, là đại tá lữ đoàn trưởng, theo Đạo chính thống, thuộc một gia đình dòng dõi quý tộc Nga. Mẹ là Teresa Ksaverevna Antonova theo Cơ đốc giáo, cũng thuộc một gia đình quý tộc. Ông nội A.I. Antonov cũng là sĩ quan trong quân đội Nga hoàng. A.I. Antonov lại được sinh ra và lớn lên trong khung cảnh đẹp tuyệt vời của vùng Grodno, từ bé đã mang trong lòng tình yêu thiên nhiên, cây cỏ và các sinh vật sống. Nên đã ước mơ khi lớn sẽ trở thành một nhà kiểm lâm, cho đến những năm cuối đời, A.I. Antonov vẫn giữ trong lòng mình tình yêu thiên nhiên, đặc biệt là với rừng, ước mơ của mình thời thơ ấu. A.I. Antonov cũng rất ham học hỏi, lại có được truyền thống gia đình nên bản thân cũng có cá tính rất mạnh mẽ. Năm 1915-1916 A.I. Antonov vào học tại trường trung học Petrograd số 1. Đầu năm 1916, vào học Đại học Lâm nghiệp ở Petrograd, ngay sau đó vì đất nước có chiến tranh nên đã chuyển vào học trường quân sự Pavlovsk để tham gia quân đội. Sau khi tốt nghiệp, A.I. Antonov ra mặt trận, tham gia Chiến tranh thế giới thứ nhất với cấp bậc trung úy. Năm 1918, chiến tranh kết thúc, ông xuất ngũ rồi trở về làm việc ở ủy ban lương thực Petrograd. Năm 1919, A.I. Antonov tham gia Hồng Quân.