Покушението срещу Йоан Павел II е извършено от турския гражданин Мехмед Али Агджа на 13 май 1981 г. на площад "Св. Петър" във Ватикана. Докато излиза на площада, папата е прострелян четири пъти и претърпява загуба на голямо количество кръв. Агджа е задържан незабавно и по-късно осъден на доживотен затвор от италианския съд.
По това време Сергей Антонов е служител в бюрото на Българска гражданска авиация "Балкан" в Рим. Той е задържан от италианската полиция по обвинение в съучастие на атентатора Агджа, който посочва като свои съучастници още двама българи - Желю Василев и Тодор Айвазов, които са служители на посолството на България в Италия, но към този момент се намират в София.
Следствието, към което той е привлечен, продължава две години и половина. Процесът започва през май 1985 г. и завършва през март 1986 г. На него Сергей Антонов отрича да е познавал Агджа и да е участвал в предполагаемия заговор. Освободен е поради липса на доказателства.
Завръща се в България на 1 април 1986 г. Здравето му обаче е тотално съсипано. Според изявления на някои български специалисти от онова време, той не само е бил подложен на психически тормоз при многото разпити и в затвора, но са му били давани и психотропни вещества.
Известно време продължава да работи на куриерска длъжност в авиокомпания "Балкан", след което е пенсиониран по болест. На 27 март 2002 г. 39-то Народно събрание отпуска на Сергей Антонов пенсия за особени заслуги в размер на 160 лева месечно.
На 1 август 2007 г. Антонов е намерен мъртъв в дома си на ул. "Сердика" в София от дъщеря му Ани. По тялото не е имало следи от насилие, смъртта била настъпила няколко дни по-рано.
Любопитен факт е, че по молба на папата Агджа е помилван от италианския президент Карло Чампи през юни 2000 г., но е репатриран в турски затвор, където да лежи за извършеното от него убийство на турски журналист, за което е осъден в родината си. Впоследствие е освободен.