Антонина Васильевна Лебедева родилась на станции Бакунино (ныне — в Кувшиновском районе Тверской области). После окончания школы поступила на заочное отделение биологического факультета МГУ. В Москве она стала курсантом Дзержинского аэроклуба и проявила интерес к авиации.
С самого начала Великой Отечественной войны Антонина настойчиво стремилась в действующую авиационную часть. Она присоединилась к 586-му женскому истребительному авиаполку, защищая Саратов. Затем она воевала в составе звена девушек-лётчиц и перешла в 434-й истребительный авиационный полк, защищавший небо Сталинграда.
В воздушных боях Антонина сбила лично и в группе с товарищами три вражеских самолёта. С лета 1943 года она воевала в составе 65-го Гвардейского истребительного авиаполка, где принимала активное участие в ожесточённых воздушных боях на Орловском направлении.
На перезахоронение отважной летчицы прибыл генерал-лейтенант Е. М. Белецкий, в годы войны командовавший 1-м Гвардейским истребительным авиакорпусом. Он привез с собой документы из архивов о том, что именно в этих местах и состоялся последний вылет на боевое задание для Тони. Антонина Лебедева была захоронена в торжественной обстановке с подобающими воинскими почестями. На церемонии перезахоронения присутствовал сам Белицкий, ее однополчане по 65-му Гвардейскому авиационному полку, а также родные — сестра Мария Васильевна. В настоящее время могила летчицы находится на территории совхоза «Вязовский» Болоховского района Орловской области недалеко от братской могилы. Обелиском на могиле летчицы стала бронеспинка ее самолета. Сегодня одна из улиц города Болхова носит имя Антонины Васильевны Лебедевой.
17 июля 1943 года Антонина Лебедева была сбита в неравном бою с 30 вражескими самолётами, и её судьба долгое время оставалась неизвестной. После войны, в 1982 году, группа орловских следопытов участвовала в раскопках самолёта, упавшего летом 1943 года, и обнаружила останки лётчика, подтвердившиеся документами, что принадлежат Антонине Васильевне Лебедевой.
Могила Антонины Лебедевой сейчас находится в бывшем совхозе «Вязовский» Болховского района Орловской области, где ей установлен обелиск.