В июне 2010 года Антонов получил свой первый вызов в главную сборную России, сбор команды был посвящён подготовке к чемпионату мира в Турции. Главный тренер сборной Дэвид Блатт рассматривал Семёна как будущего члена команды, но всерьёз не собирался включать его в итоговую заявку на чемпионат. Спустя год Антонов был включён в расширенный состав сборной на чемпионат Европы 2011 года. В августе 2011 года он дебютировал в игре за сборную на товарищеском турнире, который проходил на Кипре. Из-за травмы Александра Кауна Антонов рассматривался в качестве центрового, несмотря на малый рост, Семён был готов играть на любой позиции. Во время одного из контрольных матчей, против сборной Латвии, Антонов получил травму голеностопа и выбыл из строя на неделю. Неожиданно для многих Блатт включил Антонова в окончательную заявку сборной на чемпионат Европы в Литве. Несмотря на то, что Антонов получал мало игрового времени (около 8 минут в среднем за игру), он приносил пользу команде, набирая в среднем 3,8 очка за матч, за 10 проведённых встреч Семён допустил всего 1 потерю. Антонов хорошо проявил себя в последнем матче турнира, в котором россияне встречались со сборной Македонии в игре за бронзовые медали первенства, Антонов набрал 7 очков, выйдя на паркет со скамейки запасных. Сборная России завоевала бронзовые медали, что стало большим успехом для Семёна на его первом международном соревновании. Сергей Гришаев — экс-центровой сборной СССР по баскетболу — назвал Антонова открытием Евробаскета.