Родился 3 февраля 1986 года в семье военнослужащего в городе Магдебурге Германской Демократической Республики.
В 2003 году окончил среднюю школу № 10 города Дзержинска Нижегородской области и поступил курсантом в Казанское высшее танковое командное Краснознамённое, ордена Жукова училище.
После окончания училища в 2007 году служил командиром взвода в танковом полку (позже переформированному в батальон) в городе Новосибирске, затем на 201-й российской военной базе в Таджикистане. В 2019 году находился в командировке в Сирии, где Россия с 2015 года проводит военную операцию против международных террористических формирований.
С 2020 года – заместитель командира мотострелкового батальона 80-го танкового Краснознамённого полка 90-й гвардейской танковой Витебско-Новгородской дважды Краснознамённой дивизии Центрального военного округа (пункт дислокации – город Чебаркуль Челябинской области).
С 24 февраля 2022 года в составе своего подразделения принимал участие в специальной военной операции по защите Донецкой Народной Республики и Луганской Народной Республики.
5 июля 2022 года 80-му танковому полку за массовый героизм и отвагу, стойкость и мужество, проявленные личным составом полка в боевых действиях по защите Отечества и государственных интересов в условиях вооружённых конфликтов, присвоено почётное наименование «гвардейский».
Указом Президента Российской Федерации («закрытым») от 14 сентября 2022 года за мужество и героизм, проявленные при исполнении воинского долга, гвардии майору Антонову Виталию Сергеевичу присвоено звание Героя Российской Федерации с вручением знака особого отличия – медали «Золотая Звезда».
Награда была вручена Герою 8 ноября 2022 года на командном пункте Объединённой группировки российских войск министром обороны России генералом армии Сергеем Шойгу.