Родился 7 февраля 1906 года в селе Троицкое ныне Подольского района Московской области в дворянской семье. Русский.С 1912 года жил в городе Саратове. В 1922 году окончил школу.
С 1923 года работал ответственным секретарем планерной секции при Саратовском губернском отделе Общества друзей Воздушного Флота. Сконструировал и построил учебный планер ОКА-1 «Голубь». В 1925 году поступил на отделение гидроавиации корабельного факультета Ленинградского политехнического института, где стал секретарем технического комитета планерной секции Ленинградского аэроклуба. Сконструировал и построил учебные планеры ОКА-2 и ОКА-3. В 1930 году окончил институт и в октябре получил назначение на должность главного конструктора строящегося Тушинского планерного завода.
1938 год – ведущий инженер ОКБ А.С. Яковлева; 1940 год – работает на заводе «Красный
летчик»; 1941 год – работает на заводе в г. Каунасе.
В июне – июле 1941 года – главный инженер Планерного управления Наркомата авиационной промышленности СССР.
С июля 1941 года – главный конструктор планерного авиазавода (г. Москва, затем – г. Тюмень). Сконструировал и построил десантный планер А-7, двухместный учебный планер А-2, планер А-40 «Крылатый танк» (предназначенный для перевозки танка по воздуху). Планер А-7 во время Великой Отечественной войны широко использовался для снабжения партизан, за что О.К. Антонов был награжден медалью «Партизану Отечественной войны» 1-й степени.
С 1943 года – заместитель главного конструктора ОКБ А.С. Яковлева. Участвовал в модернизации истребителей Як-7, Як-9 и Як-3, прославившихся в годы Великой Отечественной войны.
1945–1946 годы – начальник филиала ОКБ А.С. Яковлева на заводе им. В.П. Чкалова в Новосибирске, с мая 1946 по 1952 год – главный конструктор Опытно-конструкторского бюро. В СибНИА работал с 1946 по 1948 год в должности начальника института (по совместительству), создал коллектив института и руководил его работой на начальной стадии организации СибНИА на базе филиала ЦАГИ, руководил разработкой проектного задания института 1947 года. В эти годы сконструировал самолеты Ан-2, Ан-6, планер-паритель А-9, двухместный планер-паритель А-10. Многоцелевой самолет Ан-2, совершивший первый полет в 1947 году, стал лучшим в мире бипланом и летает до сих пор.
Летом 1952 года ОКБ О.К. Антонова было переведено в Киев, где со временем выросло в крупнейший авиационный комплекс. В 1962 году О.К. Антонов назначен Генеральным конструктором ОКБ. За годы его руководства в ОКБ были сконструированы и построены: транспортные самолеты Ан-8, Ан-12, Ан-22 «Антей», Ан-26 и Ан-32; пассажирские самолеты Ан-10, Ан-14 «Пчелка» и Ан-24; реактивные транспортные самолеты Ан-72 и Ан-124 «Руслан»; многоцелевые самолеты Ан-3 и Ан-28; планеры А-11, А-13 и А-15.
Самолет Ан-22 «Антей» до сих пор является самым грузоподъемным в мире турбовинтовым самолетом (поднимает до 100 тонн груза), а самолет Ан-124 «Руслан» являлся для своего времени самым грузоподъемным реактивным самолетом (поднимает до 170 тонн груза). На самолетах, разработанных под непосредственным руководством О.К. Антонова, установлено 243 мировых авиационных рекорда.За большие успехи в конструировании новой авиационной техники Антонову Олегу Константиновичу Указом Президиума Верховного Совета СССР от 22 июля 1966 года присвоено звание Героя Социалистического Труда.
С 1977 года Антонов – заведующий кафедрой Харьковского авиационного института.
Награжден тремя орденами Ленина, орденами Октябрьской Революции, Отечественной войны 1-й степени, Трудового Красного Знамени, медалями. Лауреат Ленинской премии (1962; за самолет Ан-12), Государственной премии СССР (Сталинской премии, 1952; за самолет Ан-2) и Государственной премии Украинской ССР (1976; за самолет Ан-24).
Академик Академии наук СССР и Академии наук Украинской ССР, доктор технических наук (1960), профессор (1978), заслуженный деятель науки и техники Украинской ССР. Депутат Верховного Совета СССР 5–10-го созывов.
Написал 200 научных трудов, 4 книги, ему принадлежат 72 авторских свидетельства на изобретения, десятки журнальных и научных статей. Автор сочинений «На крыльях из дерева и полотна», «Для всех и для себя», «Десять раз сначала», «Планеры и самолеты» и др.Скончался 4 апреля 1984 года. Похоронен на Байковом кладбище в Киеве. На доме по улице Огарева в Киеве, где Олег Антонов прожил 27 лет, установлена мемориальная доска. Его имя присвоено авиационному научно-техническому комплексу в Киеве. В честь Антонова учрежден диплом ФАИ [447, 481, 787, 825, 940,1122].