Учился в первой Ришельевской и второй гимназиях г. Одессы. В 1855 году окончил медицинский, а в 1860 году историко-филологический факультет Киевского университета.
В 1863—1880 годах работал главным редактором «Временной комиссии для разбора древних актов» в Киеве. Руководил изданием «Архива Юго-Западной России». Выпустил несколько томов со вступительными монографиями:

Часть I. Том IV. — Акты об унии и состоянии православной церкви в Юго-Западной России во II половине XVII и в XVIII ст. (1648—1798 гг.);

Часть III. Том I. — Акты о казаках (1500—1648 гг.);

Часть III. Том II. — Акты о казаках на правой стороне Днепра, 1679—1716 гг.;

Часть III. Том III. — Акты о гайдамаках (1700—1768 гг.);

Часть III. Том V. — Акты о мнимом крестьянском восстании в Юго-Западном крае в 1789 г.;

Часть IV. Том I. — Акты о происхождении шляхетских родов в Юго-Западной России (1442—1760 гг.);

Часть V. Том I. — Акты, относящиеся к истории городов и местечек в Юго-Западной России (1432—1798 гг.);

Часть VI. Том II. — Акты о крестьянах в XVIII ст. (1700—1799 гг.);

Часть VII. Том I. — Акты о заселениях Юго-Западной России (1386—1700 гг.).
С 1878 года — профессор русской истории Киевского университета.
Проводил большую научно-исследовательскую работу по истории Литовско-Русского государства, по итогам которой издал специальный сборник «Монографии по истории Западной и Юго-Западной России» (том 1, 1885 г.).
Антонович написал также ряд трудов по археологии: «Древности Юго-Западного края. Раскопки в стране древлян»(1893), «Археологические карты» Киевской (1895) и Волынской (1900) губерний.
Владимир Антонович считается основоположником археологии (в частности, подготовил проведение нескольких всероссийских археологических съездов) и нумизматики (основал Мюнцкабинет, в котором были выставлены тысячи образцов монет разных периодов).
В 1874—1875 годах Антонович издаёт в Киеве, совместно с М.П. Драгомановым, двухтомные «Исторические песни малорусского народа».
Ученого без преувеличения можно назвать «отцом» большинства историков Украины того времени: его учениками были такие ученые, как Багалей, Голубовский, Грушевский, Данилевич, Дашкевич, Довнар-Запольский, Линниченко, Ляскоронский и др.
Умер 21 марта 1908 года в Киеве, похоронен на Байковом кладбище.
Енциклопедiя Сучасної України
Википедия (укр.)
Избранные исторические и публицистические произведения
Сайт Байкового кладбища