Первым профессиональным произведением С. П. Антонова становится рассказ «Весна» (1947). В 1950 г. появляется книга рассказов, сделавшая его имя известным – «По дорогам идут машины» (Государственная премия, 1961), а также сборник «Мирные люди». Одновременно Сергей Петрович пишет повести – «Лена» (1948), «Поддубенские частушки» (1950), «Первая должность» (1952), «Дело было в Пенькове» (1956), «Аленка» и «Петрович» (обе – 1960), «Разорванный рубль» (1966).

В 1959 г. вышла книга воспоминаний «На военных дорогах». О растущей популярности произведений Сергея Антонова свидетельствуют экранизации его произведений: «Поддубенские частушки» (1957), «Дело было в Пенькове» (1958), «Аленка» (1961), «Порожний рейс» (1963). По мотивам рассказов Сергея Петровича, В. Шукшин создал два сценария («Пришел солдат с фронта» и «Иван Степанович»). Сергей Антонов сам несколько раз обращается к написанию сценариев: «Это было в Донбассе» (1946), «Посланец мира» (1950), киноповесть «Серебряная свадьба» (1972).

В 1964 г. вышла книга «Письма о рассказе», а в 1973 г. появляются еще две книги Сергея Петровича – «Я читаю рассказ. Из бесед с молодыми писателями» и «От первого лица. Рассказы о писателях, книгах и словах», в 1974 – «Слово. Из бесед с молодыми писателями». В конце 1980-х появляются большие повести, посвященные острейшим событиям нашей истории: «Васька» (1973) и «Овраги» (1986). В сочетании с повестью «Царский двугривенный» (1970), повести «Овраги» и «Васька» составили трилогию.