Родился в семье рабочего. Работал на Великолукском паровозоремонтном заводе. Окончил рабфак. Член ВКП(б) с 1929 г. В том же году по рекомендации парткома завода был направлен на учебу в Московский институт инженеров железнодорожного транспорта. На втором курсе был призван в армию. В РККА с 1931 г. В 1932 г. окончил 1-й военную школу летчиков им. тов. Мясникова в Каче. Служил в ней летчиком-инструктором, а далее командиром звена. В 1936 г. за хорошую организацию учебы курсантов летному мастерству и выполнение ответственного правительственного задания был награжден орденом Ленина.

В 1939 г. окончил краткосрочные курсы комиссаров-летчиков при Харьковской военной школе летчиков.

Принимал участие в освободительном походе в Западную Украину.

Участвовал в советско-финской войне. Был военным комиссаром 7-го иап 59-й иаб ВВС 7-й армии Северо-Западного фронта. Совершил 30 боевых вылетов. Был награжден орденом Красного Знамени (10.01.40).

В наградном листе на присвоение батальонному комиссару Антонову звания Герой Советского Союза указывалось: «Способный боевой комиссар полка. С первых дней борьбы с белофиннами находится на фронте и является подлинным комиссаром-ленинцем в руководстве боевой и политической работой полка.

Подлинное комиссарское касательство к людям и летно-боевой работе и обеспечение быта создало ему великолепный авторитет как комиссару и отличному боевому летчику-вожаку.

Комиссар Антонов является не только хорошим, чутким и заботливым партийным руководителем, но и хорошим смелым истребителем.

Вся служба полка по воспитанию людей поставлена на высоком идейном уровне, благодаря чему полк работает с большим боевым напряжением по выполнению боевых приказов командования.

Лично имеет 30 боевых вылетов (главным образов на бомбометание военных объектов противника железнодорожных эшелонов и станций и скопления войск противника). Под личным командованием комиссара т. Антонова бомбились и были зажжены железнодорожные эшелоны на станции Курми, Иля-Сяйнис, бомбардировкой под его командованием выведена из строя батарея белобандитов у села Пиэн-Перо.

Полк за время боевых действий имеет 5136 боевых вылетов, при налете 5110 часов. Полком сбито 69 самолетов, из них 13 бомбардировщиков. Полк представляется к награде орденом Красного Знамени.

На участке 28 стрелкового корпуса, по просьбе командира корпуса, под командованием Антонова было произведено бомбометание и штурмовка контрнаступающих белофиннов. Контрнаступление врага было остановлено, не ожидавшие удара с воздуха, белофинны были отброшены и рассеяны, в результате было всецело занято местечко Вила-Виски. Тов. Антонов лично награжден орденами Ленина и Красного Знамени».

21.03.40 г. батальонный комиссар Антонов Николай Дмитриевич был удостоен звания Герой Советского Союза. Ему была вручена медаль «Золотая Звезда» № 261.

Летом 1940 г. старшой батальонный комиссар Антонов был назначен военным комиссаром 42-й истребительной авиационной бригады.

Участвовал в Великой Отечественной войне. Был военкомом авиабригады.

С 25.12.42 г. по 1.04.43 г. полковник Антонов командовал 273-й истребительной авиационной дивизией 13-й ВА (Ленинградский фронт).

В январе 1943 г. дивизия поддерживала атакование 67-й армии в операции по прорыву блокады Ленинграда. В феврале снабжала наступательные действия войск фронта на красноборском, а в июле и августе на мгинском направлениях.

С 24.06.43 г. и до конца войны Антонов командовал 7-м истребительным авиакорпусом ПВО.

«Опыт отражения налетов немецких истребителей на Ленинград в мае 1943 г. показал, что установленный строй подъема истребителей на перехват противника из готовности №1 себя не оправдал. Это объяснялось тем, что истребительная авиация врага действовала с аэродромов, расположенных вблизи линии фронта (Гатчина и другие) и наши истребители не успевали взвиться, набрать высоту и повстречать неприятеля на подступах к городу. Поэтому для наиболее эффективной борьбы с его истребительной авиацией были предусмотрены специальные зоны патрулирования с выносом их в сторону вероятных маршрутов полетов авиации противника.

В дни наиболее интенсивных налетов приходилось удерживать над городом беспрерывный патруль из 2 — 4 самолетов.

Боевые действия нашей истребительной авиации ночью были малоэффективны. Обычно при появлении самолетов противника ночью в воздух поднималось от 2 до 10 истребителей, которые патрулировали эшелонированно по высоте в зонах ожидания. Однако вследствие несовершенства системы наведения и незначительного количества освещенных прожекторами целей встреч наших истребителей с самолетами противника было всего ничего.

Следует подметить, что 7-го истребительного авиационного корпуса ПВО под руководством командира корпуса Героя Советского Союза полковника Н.Д. Антонова настойчиво изыскивали больше совершенные методы управления истребителями в воздухе и их наведения. Они разработали и внедрили в боевую практику централизованную систему управления и радионаведения истребителей на самолеты противника.

Для успешного решения этой задачи использовались данные «Редут» и СОН. Данные станций наносились на специальные планшеты. По решению Военного совета фронта был оборудован командный пункт планшетного наведения, на котором несли постоянное дежурство опытные командиры-авианаводчики.

В результате накопленного опыта по наведению летчики корпуса стали больше удачно перехватывать самолеты врага. Так, в течение сентября — октября 1943 г. из 32 наведений больше половины закончилось встречей наших истребителей с бомбардировщиками противника.

Выполняя основную задачу, части 7-го истребительного авиационного корпуса в то же время прикрывали боевые порядки соединений Ленинградского фронта, вели разведку войск и коммуникаций противника».

Приказом НКО ССР № 255 от 07.07.43 г. 7-й иак ПВО был преобразован во 2-й гвардейский истребительный авиационный остов ПВО с присвоением ему почетного наименования «Ленинградский».

«В ходе наступления войск Ленинградского фронта, начавшемся 14 января 1944 г., 2-й гвардейский истребительный авиационный Ленинградский остов ПВО прикрывал от ударов с воздуха боевые порядки наших стрелковых соединений и штурмовал наземного противника, не давая ему возможности осуществлять планомерный отход. На прикрытие стрелковых войск части корпуса произвели примерно 2000 самолето-вылетов, уничтожив в воздушных боях 22 немецких самолета. Значительный результат дали и штурмовые действия: гитлеровцы потеряли больше 300 автомобилей с техникой, а кроме того примерно 700 боец и офицеров».

4.04.44 г. полковнику Антонову было присвоено воинское звание генерал-майор авиации.

В течение 1944 г. 2-й гвардейский Ленинградский истребительный авиационный остов ПВО уничтожил 172 вражеских бомбардировщика.

За мужество и героизм 22 летчика 2-го гвардейского истребительного авиационного Ленинградского корпуса ПВО были удостоены звания Героя Советского Союза.

В 1948 г. окончил Военную академию Генштаба.

7.06.60 г. ему было присвоено воинское звание генерал-полковник авиации.

С 1970 г. в отставке. Жил в Ленинграде.