Родился 7 февраля 1906 г. в деревне Троица Вороновской волости Подольского уезда Московской губернии.
В юном возрасте увлекся авиацией, создал в Саратове клуб любителей авиации. Сконструировал планер "Голубь" (ОКА-1), в 1924 г. участвовал в слете планеристов в Коктебеле. В 1930 г. возглавлял Центральное бюро планерных конструкций Осоавиахима. В 1933-1938 гг. был главным конструктором планерного завода в Тушино.
В 1938-1940 гг. работал ведущим инженером по учебно-тренировочным самолетам в ОКБ завода № 115. После начала Великой Отечественной войны, с 1941 г. - главный конструктор планерного авиазавода в Москве. Разработал десантный планер А-7. Было изготовлено свыше 500 таких планеров.
В феврале 1943 г. Олег Антонов вернулся в ОКБ Александра Яковлева. Занимался совершенствованием истребителей Як-3, Як-7 и Як-9.
В 1952 г. ОКБ-153 было переведено в Киев. В 1960 г. в МАИ защитил докторскую диссертацию. Академик Академии наук СССР. Профессор.
В 1962-1984 гг. Олег Антонов являлся генеральным конструктором предприятия (сейчас это АНТК). Под его руководством создано 52 типа планеров и 22 типа самолетов. В ОКБ Антонова в Киеве был создан самолёт Ан-2 – легенда отечественной авиации. Сотни самолётов Ан летают до сих пор.