Родился в 1960 году в Чебоксарах.
С 1984 по 1995 годы служил в органах КГБ-ФСБ на различных офицерских должностях.
Окончил Академию управления МВД России по специальности «юриспруденция». Кандидат юридических наук.
В 1995 году назначен первым заместителем министра внутренних дел республики Чувашия - начальником сначала службы милиции общественной безопасности, а затем - службы криминальной милиции.
В августе 1997 года назначен министром внутренних дел Чувашской Республики.
14 апреля 2011 года указом президента РФ Вадим Валентинович Антонов назначен на должность руководителя ГУ МВД РФ по Красноярскому краю с присвоением ему специального звания генерал-майор полиции.
14 июня 2012 года Указом Президента РФ Вадиму Валентиновичу Антонову присвоено специальное звание генерал-лейтенант полиции.
Вадим Валентинович Антонов награжден медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» 2-й степени, медалями «Жукова», «За доблесть в службе», «За боевое содружество», «За отличие в воинской службе» 1-й степени, «За отличие в службе» 3-х степеней, медалью МЧС «За содружество во имя спасения», нагрудным знаком «Почетный сотрудник МВД», наградным оружием.