Ο Θ. Αντωνίου γεννήθηκε στην Αθήνα το 1935. Σπούδασε βιολί, φωνητική και σύνθεση στο Εθνικό Ωδείο και στο Ελληνικό Ωδείο της Αθήνας και συνέχισε τις σπουδές του για σύνθεση και διεύθυνση ορχήστρας στη Μουσική Ακαδημία του Μονάχου και στο Διεθνές Μουσικό Κέντρο του Ντάρμστατ. Δίδαξε μουσική στα Πανεπιστήμια του Στάνφορντ και της Γιούτα των Ηνωμένων Πολιτειών, στη Μουσική Ακαδημία της Φιλαδέλφειας και στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης.
Από το 1974 έως το 1985 υπήρξε συνδιευθυντής όλων των δραστηριοτήτων σύγχρονης μουσικής στο Μουσικό Κέντρο του Τάνγκελγουντ. Από το 1989 κατείχε τη θέση του προέδρου της Ένωσης Ελλήνων Μουσουργών. Υπήρξε ιδρυτής της Πειραματικής Λυρικής Σκηνής και καλλιτεχνικός διευθυντής της από το 2004 έως το 2011. Η εργογραφία του αριθμεί πάνω από 450 έργα, πολλά από τα οποία είναι παραγγελίες μεγάλων ορχηστρών και ιδρυμάτων και περιλαμβάνει τις όπερες «Περίανδρος» (1977-79), «Βάκχες» (1991-92), και «Οιδίπους επί Κολωνώ» (1997) [παραγγελία της Συμφωνικής Ορχήστρας της Ραδιοφωνίας SWF Μπάντεν Μπάντεν/Βραβείο Μουσικής 1998 της Ένωσης Ελλήνων Θεατρικών και Μουσικών Κρητικών], χορωδιακά έργα, καντάτες, έργα μουσικής δωματίου, έργα για σολίστ, συμφωνικά έργα και κοντσέρτα.
Ενδεικτικά αναφέρονται: «Τρεις Συμφωνίες», η καντάτα «Νενικήκαμεν» (1972) [παραγγελία της Συμφωνικής Ορχήστρας της Ραδιοφωνίας και της πόλης του Μονάχου για τους Ολυμπιακούς Αγώνες του 1972], «Πέντε Κοντσέρτα για Πιάνο», «Τρία Κοντσέρτα για Βιολί», «Έξι Κουαρτέτα Εγχόρδων» κ.α. Έγραψε περίπου 150 έργα για το θέατρο και τον κινηματογράφο (εκ των οποίων τα 60 είναι μουσική για αρχαίες τραγωδίες). Διηύθυνε πολλές μεγάλες ορχήστρες και μουσικά σύνολα παγκοσμίως, όπως την Ορχήστρα Δωματίου της Συμφωνικής Ορχήστρας της Βοστώνης, τις Ορχήστρες των Ραδιοφωνιών του Βερολίνου, του Παρισιού και της Βαυαρίας, την Ορχήστρα Tonhalle της Ζυρίχης, την Ορχήστρα της Εθνικής Λυρικής Σκηνής, την Κρατική Ορχήστρα Αθηνών και την Καμεράτα. Από τα 25 περίπου βραβεία και διακρίσεις αναφέρονται το βραβείο Richard Strauss της πόλεως του Μονάχου (1964), το βραβείο Κάρολος Κουν (1988) για την προσφορά του στον χώρο της θεατρικής μουσικής, το Αριστείο Διδασκαλίας Metcalf του Πανεπιστημίου της Βοστώνης (1991) και το βραβείο της Ακαδημίας Αθηνών για το σύνολο της προσφοράς του στη μουσική (1997).
Ο Θ. Αντωνίου υπήρξε επίτιμος διδάκτωρ του Τμήματος Μουσικών Σπουδών του Ιονίου Πανεπιστημίου (2003), ταξιάρχης του Τάγματος της Τιμής και επίτιμος διδάκτωρ του Τμήματος Μουσικών Σπουδών του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών (2009). Έλαβε επίσης το βραβείο Τιμώντας τον Ελληνικό Πολιτισμό από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ (2011) και το βραβείο Απόλλων από την ΕΛΣ και την ΕΦΕΛΣ (2013). Τον Οκτώβριο του 2008 ανακηρύχθηκε ομότιμος καθηγητής του Πανεπιστημίου της Βοστώνης. Ήταν τακτικό μέλος της Ακαδημίας Αθηνών από το 2014.
