В 1954 году окончила Театральное училище имени Бориса Щукина.
В 1954—1964 гг. — актриса Центрального детского театра.
В 1964—1967 гг. служила в Московском театре имени Ленинского комсомола.
С 1967 года — актриса московского Театра на Малой Бронной. Играла в спектаклях Анатолия Эфроса, вместе с любимым режиссёром испытав на себе все его многочисленные драмы.
Широкую известность актрисе принесла роль старшей пионервожатой в спектакле и в фильме «Друг мой, Колька!» Этот образ остался в памяти нескольких поколений. Так гениально сыграть абсолютную стерву могла только очень отважная актриса. И она смогла это сделать. А сделав, пропала с киноэкранов, как это обычно и бывает — слишком взрывным, слишком ярким показалось её начало. В дальнейшем подобных впечатляющих и интересных работ в кино у Антонины Дмитриевой больше не было.