В 1863—1880 годах В. Б. Антонович работает главным редактором «Временной комиссии для разбора древних актов» в Киеве. Руководил изданием «Архива Юго-Западной России». Выпустил несколько томов со вступительными монографиями:
С 1878 года профессор русской истории Киевского университета. Проводил большую научно-исследовательскую работу по истории Литовско—Русского государства, по итогам которой издал специальный сборник «Монографии по истории Западной и Юго-Западной России» (том 1, 1885 г.).
В. Б. Антонович написал также ряд трудов по археологии: «Древности Юго-Западного края. Раскопки в стране древлян»(1893), «Археологические карты» Киевской (1895) и Волынской (1900) губерний. Исследуя социальные вопросы истории, В. Б. Антонович рассматривал их в плоскости действия абстрактных начал — общинного, дружинного, княжеского. Противопоставлял украинский народ русскому, идеализировал казачество, выдвинул теорию о бесклассовости и изначальной демократичности украинского народа, развитую впоследствии М. С. Грушевским.
Считается основоположником археологии (в частности, подготовил проведение нескольких всероссийских археологических съездов) и нумизматики (основал Мюнцкабинет, в котором были выставлены тысячи образцов монет разных периодов).
В 1874—1875 годах В. Б. Антонович издаёт в Киеве, совместно с М. П. Драгомановым, двухтомные «Исторические песни малорусского народа».
Антоновича без преувеличения можно назвать «отцом» большинства историков Украины того времени: его учениками были такие ученые, как Багалей, Голубовский, Грушевский, Данилевич, Дашкевич, Довнар-Запольский, Линниченко, Ляскоронский и другие.