Urodził się 15 VII 1893 r. w Samborze (dziś Ukraina) w średniozamożnej rodzinie. Ojciec Karol był urzędnikiem pocztowym, wywodzącym się z polskich Ormian. W 1912 r. we Lwowie rozpoczął studia archeologiczno-geograficzne. Wtedy właśnie w dorastającym młodzieńcu skrystalizowały się zainteresowania archeologią pradziejową.

W latach studiów uwidoczniła się ogromna ambicja tego adepta archeologii. Równolegle ze studiami archeologicznymi uczęszczał na wykłady z historii sztuki, filozofii, kartografii i literatury.

Ten chwalebny pęd do wiedzy na dobre pół roku został przerwany przez wybuch I wojny światowej. Antoniewicza powołano do wojska austriackiego i już w trzecim miesiącu wojny został ciężko ranny pod Użohem. Rannym zajęła się pielęgniarka-ochotniczka Jadwiga Lewakowska, a jej podopieczny nie tylko wylizał się z ran, lecz także został jej ukochanym. Ta miłość Antoniewicza do Lewakowskiej miała swoje plusy i minusy. Panna Jadwiga była bogata, pochodziła z rodziny, która wzbogaciła się na krośnieńskim przemyśle naftowym. Jej ojciec August był też burmistrzem Krosna i posłem do austriackiej Rady Państwa. Jej wuj Karol został pierwszym prezesem PSL i miał spory majątek w Szwajcarii. Minusem było to, że panna Jadwiga była o 15 lat starsza i to, że zakochani byli ze sobą spokrewnieni!

Pokonawszy liczne przeszkody (dyspensa biskupa, a zapewne też opór rodziny) „młodzi” stanęli na ślubnym kobiercu w listopadzie 1920 r. W następnych latach żona Jadwiga stała się „podporą życiową” młodego naukowca, często porządkowała jego notatki, robiła stenogramy z wykładów męża i jeździła z nim na konferencje.

Gdy Antoniewicz brał ślub, był już doktorem filozofii UJ i miał pewne doświadczenie nabyte podczas prac renowacyjnych i archeologicznych na Wawelu (1916–1918), a także odbyte kilkumiesięczne studia w innych ośrodkach naukowych (w Wiedniu, Pradze, Paryżu). Nic więc dziwnego, że łatwo zdobył tytuł docenta archeologii pradziejowej na Uniwersytecie Poznańskim (1920).

W najdramatyczniejszym momencie wojny polsko-bolszewickiej Antoniewicz wyjechał do Szwajcarii, aby sfinalizować interesy rodzinne. Trzeba było sprzedać majątek uzyskany w spadku po wuju Karolu Lewakowskim (zmarłym w Rapperswilu w 1912 r.). Uzyskane środki umożliwiły kupno letniej willi „Zacisze” w Milanówku. Antoniewiczowie mogli więc żyć dostatnio.

Zimą 1921 r. Antoniewicz został zatrudniony w Katedrze Archeologii Pierwotnej i Wczesnośredniowiecznej Uniwersytetu Warszawskiego. Z warszawską uczelnią związał się aż na pół wieku! W 1922 r. powierzono mu kierownictwo katedry. Dwa lata później został profesorem nadzwyczajnym, a w 1928 r. zwyczajnym. Pracował niezwykle intensywnie, czego owocem były kolejne artykuły oraz ceniona Archeologia Polski. Zarys czasów przedhistorycznych i wczesnodziejowych ziem Polski (1929). Szczególne uznanie zdobyły też książki: Pradzieje ziem polskich (1927) i Sprawy muzealne (1933). W tej ostatniej publikacji zarysował rolę i cele muzeów archeologiczno-historycznych w Polsce.

W 1924 r. został dyrektorem Muzeum Archeologicznego TNW. Od 1932 r. był członkiem korespondentem Polskiej Akademii Umiejętności, coraz częściej wyjeżdżał też za granicę. Odwiedził m.in. Niemcy, Finlandię, Bułgarię, Litwę, Łotwę, Francję, Syrię, Palestynę, a nawet radziecki Leningrad. Znał biegle francuski i niemiecki, słabiej ukraiński, włoski, angielski i rosyjski. Europejskie obycie i erudycja, ogłada towarzyska, ogromny urok osobisty połączony z szarmanckością – wszystkie te cechy na pewno ułatwiały kolejne awanse. Na UW w 1934 r. został dziekanem Wydziału Humanistycznego, a w maju 1936 r. wybrano go rektorem na trzyletnią kadencję.

Ten awans na najwyższe stanowisko macierzystej uczelni był ogromnym wyzwaniem dla 42-letniego mężczyzny. Był jednym z najmłodszych rektorów w dziejach uczelni, a przyszło mu sprawować tę godność w bardzo skomplikowanej sytuacji politycznej. Jeszcze zanim rektor elekt przejął obowiązki, jego przeciwnicy zorganizowali na uczelni manifestację. Studenci o radykalnie narodowych poglądach spalili kukłę nowo wybranego rektora. Uważali Antoniewicza za człowieka sanacji i spodziewali się po nim zdecydowanych wystąpień przeciw coraz częstszym burdom antysemickim. W listopadzie 1936 r. skrajnie narodowe bojówki żądały osobnych ławek dla Żydów i dla Polaków; posunęły się do zajęcia Auditorium Maximum i blokady tego wybudowanego rok wcześniej budynku. Wezwana przez rektora policja użyła siły i aresztowała ok. 200 bojówkarzy. W marcu 1937 r. z powodu następnych wystąpień antysemickich trzeba było na kilka dni zamknąć uczelnię!

Tymczasem w ekipie rządzącej doszło do przewartościowania i pomału niektóre postulaty endeckie zyskiwały aprobatę. Antoniewicz doskonale to zrozumiał, czego efektem było wydane 5 X 1937 r. zarządzenie o segregacji studentów Polaków od studentów Żydów. Od tego dnia getto ławkowe na UW stało się faktem i na nic zdały się protesty takich luminarzy nauki, jak: Tadeusz Kotarbiński, Mieczysław Michałowicz, Stefan Czarnowski, Franciszek Czubalski, Maria Ossowska. Zarządzenie to należy do ciemnych kart historii uczelni i historycy nie mają kłopotów z jednoznaczną oceną tego faktu. Dodajmy, że getto ławkowe i związane z tym niepokoje nie były czymś wyjątkowym i w ostatnich 2–3 latach II RP występowały niemal we wszystkich ośrodkach akademickich.

Podczas kadencji Antoniewicza „Senat Akademicki uchwalił jednogłośnie zawiesić krzyże w audytoriach”. Uczelnia silnie zaangażowała się w popieranie polityki rządu, co miało wyraz w nadaniu 4 (na łączną liczbę 5) doktoratów honoris causa osobom ze świecznika władzy. Od jesieni 1936 do 1939 r. doktoraty otrzymali: Edward Śmigły-Rydz, Józef Beck, a także rumuński minister i król Bułgarii.

Po trzyletniej niespokojnej kadencji Antoniewicz przekazał swą władzę na ręce rektora elekta w pierwszych dniach września 1939 r. Uroczystość odbywała się w anormalnych warunkach początku wojny. Po upadku Warszawy Antoniewicz chciał uwolnić się od okupacyjnych mroków i próbował wyjechać do Szwajcarii. Nie udało się i były rektor w zimowych miesiącach przełomu 1939 i 1940 r. najął się jako palacz szkolny. Dzięki temu zatrudnieniu dostawał miesięcznie 150 zł i, co równie istotne, kartki żywnościowe. Od kwietnia pracował w urzędzie miejskim. Udzielał się w tajnym nauczaniu.

W listopadzie 1941 r. na podstawie fałszywego donosu został aresztowany przez Niemców, ale po 3 tygodniach go zwolniono. Jednak w tym samym roku doszło do sytuacji, z której Antoniewicz musiał się długo tłumaczyć. Od maja 1941 r. korespondował z Wernerem Radigiem, niemieckim archeologiem związanym z nazistowskim Instytutem Niemieckiej Pracy Wschodniej (tzw. Ostinstitut). W lipcu tego roku były rektor UW pojechał do Krakowa na konferencję organizowaną przez tenże instytut. Tematem konferencji była planowana, ewidentnie propagandowa, wystawa o rzekomo odwiecznej obecności germańskiej nad Wisłą. To, że okupanci zaprosili Antoniewicza, nie było kwestią przypadku. Od początku wojny Niemcy wykorzystywali pracę archeologa (najpewniej bez jego zgody) z 1928 r., zatytułowaną Metalowe spinki góralskie, do promowania idei istnienia „germańskiego narodu góralskiego” i tworzenia goralenvolk.

Jakikolwiek charakter miały kontakty z nazistowską instytucją, zostały przez Antoniewicza zerwane jesienią 1941 r. i przez jakiś czas profesor obawiał się zemsty ze strony nazistów. Po wojnie sprawa współpracy Antoniewicza z Ostinstitut znalazła swój epilog. W 1948 r. Komisja Dyscyplinarna dla profesorów UW orzekła jednomyślnie, że należy „uwolnić prof. dr. Włodzimierza Antoniewicza od powyższych zarzutów”.

Dramatyczny okres powstania warszawskiego Antoniewiczowie przeżyli w swojej willi w Milanówku. Profesor zaangażował się wtedy w pomoc uchodźcom z Warszawy w ramach legalnej Rady Głównej Opiekuńczej. Z jego inicjatywy powstała Sekcja Pomocy dla Profesorów, Docentów i Asystentów. Willa „Zacisze” stała się zaprzeczeniem swojej nazwy, ponieważ pełno w niej było wciąż nowych wygnańców z Warszawy, którzy u Antoniewiczów mogli liczyć na gościnę. Według niektórych historyków w willi tej przechowywana była urna z sercem Chopina. Uzyskawszy zgodę Niemców, Antoniewicz pomagał w wywożeniu i ratowaniu zabytków kultury ze zniszczonej Warszawy.

Wiosną 1945 r., wobec nieobecności w Polsce Jerzego Modrakowskiego, przez kilka miesięcy sprawował obowiązki włodarza uczelni. Podczas wyborów rektorskich 14 VIII 1945 r. wybrano go prorektorem, ale równo miesiąc potem zrzekł się tej funkcji, pisząc: „Istnieją ważkie powody, dla których muszę zrezygnować z wyboru”.

Niedługo po wojnie został wiceprezesem Towarzystwa Naukowego Warszawskiego, wicedyrektorem Państwowego Muzeum Archeologicznego, członkiem zarządów kilku instytucji. Mieszkał w służbowym mieszkania w budynku uniwersyteckim przyległym do klasztoru wizytek (Krakowskie Przedmieście 34).

W 1953 r., miesiąc po śmierci Stalina, w artykule opublikowanym w „Nowej Kulturze” nawiązał do swej naukowej wizyty w ZSRR w 1932 r. i do rzekomego spotkania z generalissimusem: „Patrzyłem w jego oczy i odczułem ten uśmiech łagodny Wielkiego Budowniczego Państwa Socjalistycznego, którego osiągnięcia mieliśmy możność poznać osobiście podczas dokładnej i rozległej podróży naukowej i w czasie dogłębnych studiów”. Ta umiejętność dopasowania się do politycznej koniunktury sprawiła, że rektor UW z lat 1936–1939 do końca życia utrzymywał się na szczytach naukowego establishmentu. W 1955 r. dobrze poinformowana kierowniczka kadr ówczesnego UW Irena Kurowa w notatce służbowej tak oceniała Antoniewicza: „W swoich przedwojennych pracach naukowych propagował teorie burżuazyjnych archeologów niemieckich. Jego syntetyczne prace naukowe były idealistyczne. Po wojnie przystosował się, nawiązał kontakt z archeologią radziecką”.

Profesor cieszył się bezdyskusyjnym autorytetem naukowym. Jako pierwszy przedstawił syntezę religii dawnych Słowian. W latach 1949–1960 kierowany przez niego zespół archeologów z UW odkrył pozostałości budowli romańskich w Wiślicy. Od 1957 r. był członkiem rzeczywistym PAN. Zasiadał w zarządach kilku towarzystw naukowych. Na początku lat 60. podsumowano dorobek profesora i okazało się, że opublikował przeszło 300 prac naukowych.

Włodzimierz Antoniewicz pracował na UW aż do emerytury, na którą przeszedł 30 IX 1963 r. W tym samym roku zmarła nieodłączna towarzyszka życia, żona Jadwiga Antoniewicz. Wkrótce liczący 70 lat wdowiec jeszcze raz stanął na ślubnym kobiercu i znów mógł wzbudzić małą sensację. Jego wybranką została o blisko 30 lat młodsza Marianna. Nowa pani Antoniewicz, w odróżnieniu od zmarłej, nie przejawiała naukowych zainteresowań.

Na emeryturze profesor nadal pracował. Zajął się wydawaniem 10-tomowego dzieła Pasterstwo Tatr Polskich i Podhala, pisał w „Światowicie”. Był koordynatorem obchodów tysiąclecia państwa polskiego z ramienia Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Warszawskiej.

Profesor Antoniewicz nie miał dzieci. W testamencie zapisał niemal cały swój bogaty księgozbiór bibliotece Instytutu Archeologii.

Zmarł 20 V 1973 r. Został pochowany na cmentarzu w Milanówku (kw. XI, aleja boczna, grób n).