Родился в семье военнослужащего в городе Магдебурге Германской Демократической Республики. Из Германии семья переехала на Сахалин, а потом в город Дзержинск Нижегородской области, где Виталий в 2003 году окончил среднюю общеобразовательную школу № 10. В этом же году поступил в Казанское высшее танковое командное Краснознамённое, ордена Жукова училище. С 2007 года, после окончания училища, служил командиром взвода в частях Сухопутных войск России. Прошёл путь до заместителя командира мотострелкового батальона мотострелкового полка 90-й гвардейской танковой Витебско-Новгородской дважды Краснознамённой дивизии Центрального военного округа. Участвовал в военной операции российских войск в Сирии против международных террористических формирований. Награждён медалями, в том числе «За воинскую доблесть» 2 степени, «За боевые отличия» 3 и 2 степени, медалью «Участнику военной операции в Сирии». С 24 февраля 2022 года в составе своего подразделения принимал участие в специальной военной операции по защите Донецкой и Луганской народных республик, по демилитаризации и денацификации Украины. Командуя штурмовыми группами участвовал в боевых действиях по освобождению важных стратегических объектов. С мая по июнь бойцы под командованием майора Антонова взяли семь населённых пунктов, в том числе два города. Первым в этом списке стал Красный Лиман – его штурмовали четверо суток. В ходе выполнения боевых задач танк гвардии майора Антонова был подбит, но бойцы успели выбраться из горящей машины. Через полтора месяца штурмовая группа вышла на административные границы Луганской Народной Республики. 5 июля 2022 года за массовый героизм и отвагу, проявленные личным составом полка в боевых действиях по защите Отечества, 80-му танковому полку было присвоено почётное наименование гвардейского. 14 сентября 2022 года Указом Президента Российской Федерации («закрытым») за мужество и героизм, проявленные при исполнении воинского долга, гвардии майору Антонову Виталию Сергеевичу присвоено звание Героя Российской Федерации.