Видав дев’ять томів архіву Південно-західної Росії, котрі містять акти, що стосуються внутрішнього українського життя, переважно історії козацтва, а також низку інших свідчень про українську історію.

Окрім історії, вчений серйозно займався ще й етнографією та археологією. З етнографічних праць особливо відомі: “Історичні пісні малоросійського народу” (видані разом із Михайлом Драгомановим), що перевершили за повнотою і ретельністю наукової обробки все, доти надруковане на цю тему, “Акти про чаклунство” і засноване на них історичне дослідження.

Антоновича можна назвати батьком наукової української археології. Він провів безліч археологічних розкопок і склав низку рефератів для археологічних з’їздів і досліджень про місцеві кургани, городища, печери кам’яного століття, скельні пещери, вироби бронзового століття, монетні скарби і таке інше. Предметом його особливого науково-історичного і археологічного інтересу був Київ з його околицями. Археологічний і нумізматичний кабінети Київського університету завдяки працям Антоновича належали до першорозрядних. Він же склав археологічні карти Київської і Волинської губерній.

Професор Антонович був неймовірно скромний і глибоко народний за внутрішнім відчуттям і поведінкою.
Письменник Володимир Винниченко якось приїхав познайомитися з професором. У квітнику біля будинку Володимира Антоновича, на розі вулиць Кузнецької і Жилянської, працював якийсь непримітний дідусь. Винниченко попросив його занести валізу до будинку. Дав старенькому 20 копійок і велів покликати професора.

— Професор перед вами,— почув у відповідь. — Але грошей не віддам, тому що кожна праця повинна бути оплачена.
Таких історій-анекдотів про професора Антоновича в Києві ходило чимало. Захворівши на туберкульоз хребта, він звернувся до відомого в місті лікаря.

— Ти, голубе, напевно, випиваєш дуже? — поцікавився той, окинувши поглядом потертий одяг і зморщені чоботи пацієнта. Кидай. Чим займаєшся, чим живеш?
— Служу в університеті, читаю лекції.

Народником не тільки за переконаннями, а і в повсякденному житті Володимир Антонович став ще наприкінці 1850-х. Він тоді очолив групу з півтора десятка студентів, що походили з благородних сполячених сімей Правобережної України. Їх звинувачували в зраді й презирливо обзивали “холопоманами” (по-польськи селянин — холоп). Вони випускали рукописну газету, читали лекції, організовували українські недільні школи. У Києві в такій школі навчалися двоє родичів Тараса Шевченка. Їх “холопомани” утримували власним коштом. “Соромно жити в краї і не знати ні про нього, ні про його народ”,— вважали вони. І на канікулах пішли мандрувати селами. У 1857—1859 роках Володимир Антонович з приятелем Фадеєм Рильським — батьком майбутнього поета Максима Рильського — в селянських свитах пішки обійшли Київщину, Волинь, Поділля, Холмщину, Єкатеринославщину і Херсон.

Помер професор, чудовий історик і археолог, 21 березня 1908 року, похований на Байковому кладовищі.