Родился 15 декабря 1913 года в деревне Литиж (ныне Комаричского района Брянской области) в бедной крестьянской семье.

Окончил пять классов Литижской неполной средней школы.

С пятнадцати лет работал по найму в селе. С 1930 года – коногон на шахте имени Дзержинского Щербиновского рудника (ныне г. Торецк Донецкой области, Украина). Работал забойщиком, машинистом врубовой машины, десятником.

В 1935 году призван на срочную службу в Красную Армию и направлен во 2-й Краснознаменный мотострелковый полк войск НКВД (Хабаровск). Окончил годичную школу младшего комсостава. Служил помощником командира взвода, старшиной роты. Окончил курсы младших лейтенантов и назначен командиром взвода.

В начале 1942 года часть бойцов 2-го Краснознаменного мотострелкового полка войск НКВД передали в действующую армию в состав 4-го Краснознаменного мотострелкового полка 13-й мотострелковой дивизии внутренних войск НКВД. В их составе лейтенант Антонов в феврале 1942 года прибыл в Воронеж и был назначен заместителем командира 7-й роты. В конце марта 1942 года при наступлении на опорный пункт врага на западном берегу реки Большая Бабка был ранен.

Ввиду значительных потерь 13-я мотострелковая дивизия внутренних войск НКВД была выведена в Тесницкие лагеря (25 км севернее г. Тула) для переформирования. 15 июня 1942 года по приказу Ставки Верховного главнокомандующего вошла в состав Красной Армии, получила наименование 95-й стрелковой дивизии и в августе 1942 года была переброшена на оборону Сталинграда.

И. С. Антонов участвовал в кровопролитной обороне Мамаева кургана, командуя 7-й ротой. После одного из боев в строю осталось шесть бойцов и командир роты.

В декабре 1942 года Антонову присвоили звание старшего лейтенанта и он был назначен командиром 1-го батальона 90-го стрелкового полка. Вёл бои в городе Сталинград вплоть до разгрома немецкой группировки. За оборону Сталинграда 95-й стрелковой дивизии было присвоено звание гвардейской. 1 марта 1943 года она была преобразована в 75-ю гвардейскую дивизию, 90-й стрелковый полк стал 212-м гвардейским стрелковым полком.

В составе 212-го гвардейского полка И.С. Антонов участвовал в Орлово-Курской битве в районе Поныри-Ольховатка, сначала отражая немецкое наступление, затем участвуя в разгроме и преследовании противника.

Осенью 1943 года 75-я гвардейская стрелковая дивизия в составе 30-го стрелкового корпуса 60-й армии форсировала реку Десна и реку Днепр в районе сёл Глебовка и Ясногородка (Вышгородский район Киевской области), велатяжелые бои и удерживала плацдарм до подхода основных сил дивизии.

Вместе со своим батальоном капитан Антонов участвовал в освобождении Украины, Белоруссии, Риги, прорыве обороны противника на реке Висла, разгроме варшавской группировки немецких войск, форсировании реки Одер и захвате плацдарма на её западном берегу.

В январе 1944 года командир батальонаИ.С. Антонов был тяжело ранен и контужен. Шесть месяцев находился на лечении, а по возвращении в боевой строй был назначен на должность начальника резерва офицерского состава 65-й армии.

Награждён орденами Ленина, Красного Знамени, Отечественной войны I и II степени, Красной Звезды, медалями: «За боевые заслуги», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941–1945 гг.», «За оборону Сталинграда», «За освобождение Варшавы».

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 17 октября 1943 года за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецко-фашистскими захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм гвардии капитану Антонову Илье Семёновичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».

После войны продолжал службу в армии. В 1947 году Илья Семенович окончил Ленинградскую высшую офицерскую бронетанковую школу, несколько лет командовал отдельным мотострелковым батальоном в составе Северной группы советских войск за границей и в Белорусском военном округе. С 1954 года майор Антонов И.С. – военный комендант Печенегского гарнизона Северного военного округа в Мурманской области.

С 1962 года Антонов И. С. – подполковник в запасе.

С 1970 по 1981 год работал управляющим домоуправлением № 1 (впоследствии переименовано в ЖЭС № 1) города Гродно.На время работы Антонова И. С. пришлись глобальные капитальные ремонты. Большинство домов в старом центре были без горячей воды с печным отоплением. Чтобы провести необходимые работы, приходилось искать подменное жилье, отселять людей.Илья Семёнович занимался организацией озеленения города Гродно, способствовал сохранению старинной архитектуры.

Илья Семёнович запомнился коллегам и друзьям как справедливый человек. Он старался создавать условия, чтобы хорошие специалисты оставались работать в домоуправлении.Часто встречался со школьниками, рассказывал им о Великой Отечественной войне, однополчанах.

Умер 3 февраля 1981 года. Похоронен на городском кладбище города Гродно по улице Космонавтов (урочище «Секрет»).

Мемориальная доска Антонову Илье Семеновичу установлена на здании ЖЭС №1 (ул. Карбышева, 9).

Инициировали исобирали средства на установку доски, посадку сакуровой аллеи сотрудники УЖРЭП Ленинского района вместе со всеми подразделениямиорганизаций жилищно-коммунального хозяйства города. Текст на доске: «У гэтым будынку з 1970–1981 гг. працаваў упраўляючым дамамі ДУ № 1 Герой Савецкага Саюза падпалкоўнік Антонаў Ілля Сямёнавіч, удзельнік Сталінградскай бітвы, Курскай бітвы, бітвы за Днепр».

Доска была открыта 8 мая 2020 года. Изготовлена из бронзы и гранита. Автор – известный гродненский скульптор Владимир Пантелеев.

В честь героя в Гродно заложена сакуроваяаллея.В Гродно такие деревья ранее не высаживались. 12 сакур привезли из питомника под Минском. Во время проведения республиканского субботникав марте 2020 года представители ветеранской организации и общественного объединения «Белорусский республиканский союз молодежи» высадили растения на территории УЖРЭП Ленинского района (ул. Богуцкого,7).