Антон Антонов-Овсеенко родился 23 февраля 1920 г. в Москве в семье революционера, дипломата и государственного деятеля Владимира Антонова-Овсеенко, который известен тем, что возглавлял войска коммунистической России в 1918 г. во время похода на Украину. Его же отрядам противостояли украинские студенты и гимназисты в бою под Крутами.

Антон Антонов-Овсеенко закончил исторический факультет Московского городского педагогического института. С 1938 г. работал экскурсоводом в художественных музеях и на выставках.

В 1929 г. мать Антонова-Овсеенко была арестована, в 1936 г. она покончила жизнь самоубийством. Отец был расстрелян 10 февраля 1938 г. "за принадлежность к троцкистской террористической и шпионской организации".

Сам Антонов-Овсеенко был впервые арестован в 1940 г. как сын врага народа, затем повторно в 1941 и в 1943 гг. В тюрьмах и лагерях провел в общей сложности около 13 лет. В 1956-1957 гг. отец и сын Антоновы-Овсеенко были реабилитированы.

С конца 1950-х гг. Антонов-Овсеенко вел архивные изыскания и занимался писательской деятельностью. Среди его работ - ряд книг, посвященных личности Иосифа Сталина и его соратников: "Портрет тирана" (Нью-Йорк, 1980 г.), "Театр Иосифа Сталина" (М., 1989 г.), "Сталин без маски" (М., 1990 г.) и другие.

Антонов-Овсеенко вел активную общественную деятельность, был членом исполкома Международной лиги защиты культуры, советником правового управления Государственной думы. С 1995 г. возглавлял Союз организаций жертв политических репрессий Московского региона. С 2000 г. был председателем совета Региональной общественной организации жертв политических репрессий.

В 2001 г. добился передачи здания по ул. Петровка, 16 для размещения в нем Государственного музея истории ГУЛАГа. До 2011 г. возглавлял музей как директор, затем был почетным президентом.