В сферу научных интересов В. Ф. Антонова входили история русского революционного народничества, история России и СССР, политическая история и история общественной мысли. Его знаковой чертой ученого стал поиск непроторенных дорог в науке, проявившийся как в обращении к ранее неисследованным проблемам, так и в стремлении по-новому взглянуть на уже созданные картины прошлого. Именно он фактически заново открыл доброе имя Г. А. Лопатина, человека удивительной судьбы, которым восторгались К. Маркс, Ф. Энгельс, М. Горький. Широкую известность получила его книга "Революционное народничество" (1965), где отстаивалась принципиально новая концепция истории общественного движения пореформенной России. В книгах "А. И. Герцен: Общественный идеал анархиста" и "Н. Г. Чернышевский: Общественный идеал анархиста" (обе вышли в издательстве URSS и неоднократно переиздавались) он отстаивал свое понимание теорий родоначальников русского народничества как выражение идей мирного прогресса и анархистских принципов развития социума.