Виталий Антонов родился 3 февраля 1986 года в Магдебурге, Германия, в семье военного. Со временем они переехали на Сахалин. Его детство прошло в селе Леонидово Поронайского района. Позже семья обосновалась в Дзержинске Нижегородской области, где Виталий окончил среднюю школу № 10.

В 2003 году Антонов поступил в Казанское высшее танковое командное училище. Его отец и старший брат также учились там. В 2007 году он стал командиром взвода в танковом полку. Однако вскоре полк сократили до батальона, а затем и вовсе расформировали. Два года Антонов ждал нового назначения. Наконец, его отправили на военную базу в Таджикистане. В 2019 году он отправился в командировку в Сирию.

В 2020 году Виталий стал заместителем командира мотострелкового батальона 80-го танкового полка 90-й гвардейской танковой Витебско-Новгородской дважды Краснознаменной дивизии, базирующейся в городе Чебаркуль.

В феврале 2022 года он вместе с подразделением отправился в зону специальной военной операции. В составе штурмовой группы освобождал стратегически важные объекты. С мая по июнь под командованием майора Антонова бойцы взяли семь населенных пунктов, включая два города. Первым стал Красный Лиман, который штурмовали четверо суток. Танк майора Антонова был подбит, но экипаж успел выбраться из горящей машины. Через полтора месяца штурмовая группа достигла административных границ Луганской Народной Республики. Верховному главнокомандующему доложили, что территория ЛНР полностью освобождена.

В июле 2022 года 80-й танковый полк удостоили почетного звания «гвардейский» за массовый героизм и мужество, проявленные в боях за Родину.

14 сентября 2022 года президент России подписал указ о присвоении звания Героя России гвардии майору Виталию Антонову. Награда была вручена за мужество и героизм, проявленные при выполнении воинского долга. Торжественная церемония прошла 8 ноября 2022 года на командном пункте Объединенной группировки российских войск. Вручение провел экс-министр обороны Сергей Шойгу.