В бой с захватчиками вступил 22 июня 1941 года в Прибалтике. На бомбардировщиках СБ, Пе-2 и B-25 совершил 93 успешных боевых вылета. С первых дней войны показал себя мужественным и высококлассным пилотом. Один из вылетов Семёна Антонова вошёл в историю бомбардировочной авиации.
С августа 1943 по июль 1965 года – лётчик-испытатель ГК НИИ Военно-Воздушных Сил. Награждён двумя орденами Красного Знамени, двумя орденами Красной Звезды и другими наградами. В сентябре 1957 года за мужество и героизм Семёну Антонову присвоено звание Героя Советского Союза.

На фронте Великой Отечественной войны с осени 1942 года. Первый бой на штурмовике Ил-2 провёл в небе сражающегося Сталинграда. Воевал в составе 808-го, в дальнейшем 93-го гвардейского штурмового авиаполка.
За годы войны совершил 190 успешных боевых вылетов, уничтожил и вывел из строя не менее 40 вражеских танков, 5 самолетов, 75 автомашин и 470 солдат.
После войны жил в Риге и Подмосковье. Память о герое увековечена в Люберцах, Тамбове, Котовске и родной деревне Андреевке. В посёлке Сатинка Сампурского округа установлены мемориальная плита и бюст.

В Красной армии в 1933-35, затем с 1942 года. Командир отделения 25-й гвардейской механизированной бригады 60-й армии Центрального фронта, старший сержант. При форсировании Днепра после гибели командира взял командование группы на себя. Достигнув правого берега, бойцы уничтожили две огневые точки противника. Погиб в одной из атак 4 октября 1943 года. Награждён орденами Ленина, Красной Звезды. Навечно зачислен в списки воинской части. Его имя носят школы в родном селе и в Котовске.

На фронтах Великой Отечественной войны с июня 1941 года. К январю 45-го командир роты 359-го стрелкового полка 52-й армии 1-го Украинского фронта, старший лейтенант. Отличился при форсировании Одера под Бреслау в Польше. Переправившись через реку, со своей ротой штурмом овладел вражеским дотом, уничтожив 19 немцев, захватив 3 пулемёта. Затем истребил ещё 45 солдат и захватил 6 миномётов. Обеспечил возможность переправы другим подразделениям полка. Награждён орденом Ленина, медалью «За отвагу». Его именем названа улица в Сампуре.