Антонович був представником народницької школи в українській історіографії. Він створив так звану «київську школу» істориків, що в особі учнів Антоновича з Київського університету (Дмитро Багалій, П. Голубовський, Михайло Грушевський, М. Довнар-Запольський, Іван Линниченко та ін.) заклала підвалини сучасної історичної науки.
У своїх працях Антонович уникав синтези, документально досліджуючи окремі історичні явища. Лише в своїх науково-популярних лекціях («Бесіди про часи козацькі в Україні» (1897); «Виклади про часи козацькі в Україні» (1912) Антонович дав загальний огляд української історії від часів сформування козаччини. Антонович був видатним українським громадським діячем. Належачи до так званих «хлопоманів», він надрукував у відповідь польському публіцистові Зенону Фішеві (псевдонім Падалиця) відому статтю «Моя исповедь» (1862), де подав обґрунтування ідеології «хлопоманів». Майже півстоліття Антонович стояв на чолі українського громадсько-політичного життя, був головою київської Старої Громади, і за його ініціативою 1890 року в Галичині дійшло до «угоди» між поляками й українцями у Львівському сеймі. Антоновичу належить велика роль в реалізації плану переїзду Михайла Грушевського до Львова і створення там наукового осередку.

Антонович — автор понад 300 праць з історії, археології та етнографії України. Зібрав, зредагував і видав 9 томів «Архива Юго-Западной России», що стосуються історії Правобережної України 16—18 століть. Вступні статті Антоновича до цих томів присвячені
історії козацтва
«О происхождении козачества», 1863;
«Последние времена козачества на правом берегу Днепра по актам 1679—1716 гг.», 1868),
гайдамаччини
«О гайдамачестве», 1876 і
«О мнимом крестьянском восстании на Волыни в 1789 г.», 1902),
селянства
«О крестьянах в Юго-Западной России по актам 1770—1798 гг.», 1870),
шляхетства
«О происхождении шляхетских родов в Юго-Западной России», 1867),
міст і міщанства
«О городах в Юго-Западной России по актам 1432—1798 гг.», 1870),
церкви
«Об унии и состоянии православной церкви с половины 17 до конца 18 в.», 1871).
Інші головні праці Антоновича:
«Очерк истории Великого княжества Литовского до смерти великого князя Ольгерда» (1877-78);
«Киев, его судьба и значение с 14 по 16 ст.», (1882);
«Уманський сотник Іван Гонта» (1882);
«Монографии по истории Западной и Юго-Западной России» (1885).
За редакцією Антоновича вийшли також
«Сборник материалов для исторической топографии Киева и его окрестностей» (1874);
«Сборник летописей, относящихся к истории Южной и Западной России» (1888);
«Мемуары, относящиеся к истории Южной Руси» (1890—1896);
«Дневник Станислава Освенцима» (1643—1651) та інші.
Антоновичу належать історичні примітки до видання М.Драгоманова «Исторические песни малорусского народа» (1874—1875).
Найважливіші праці Антоновича з археології:
«Раскопки в земле древлян» (1893);
«Археологическая карта Киевской губернии» (1895);
«Археологическая карта Волынской губернии» (1902);
«Описание монет и медалей, хранящихся в нумизматическом музее Университета св. Владимира» (1896).
Матеріали досліджень про Шумськ і його околиці опубліковані у праці «Про місцезнаходження літописних міст Шумська і Пересопниці» (1901).