В 1916 году был призван в Русскую императорскую армию. В декабре того же года окончил ускоренный курс обучения в Павловском военном училище, и в чине прапорщика направлен в лейб-гвардии егерский полк. В начале 1917 года полк был направлен в 8-ю армию Юго-Западного фронта генерала Алексея Каледина. Боевое крещение Антонов принял летом 1917 года — в ночь на 18 июня после артподготовки полк в числе других частей и соединений фронта перешёл в наступление южнее Станислава. К 27 июня 8-я армия заняла Галич, 28 июня — Калуш. 16 июля немецкие части перешли в контрнаступление, в ходе одного из боёв Антонов получил осколочное ранение в голову и был эвакуирован в госпиталь в Петроград. За храбрость, проявленную в бою, Антонов в июле 1917 года был награждён Орденом Святой Анны 4-й степени.