Son père, Pierre, était aux chemins de fer PLM à L'Arbresle, puis a été nommé chef de gare à Aimargues (Gard). Sa mère, Cécile Gallon, était sans profession.
Il se marie le 25 octobre 1948 à Paris avec Claire Boussac, fille du géologue Jean Boussac et petite-fille du géologue Pierre Termier. Ils auront trois enfants : Agnès, François et Jeanne.
Antoine Guillaumont a fait ses études primaires à Aimargues et ses études secondaires au collège de Lunel. Il a étudié par la suite à l'Université de Montpellier. Il obtient un diplôme en 1937 ayant pour thème "la doctrine mystique de Platon". Il obtient une licence de lettres, puis l'agrégation de lettres (qui fut interrompue par la guerre en 1939) en 1943. Guillaumont a étudié à l'EPHE (obtenant le diplôme en 1948), à l'ENLOV et à l'Institut Catholique. Il a écrit sa thèse à la Sorbonne et a obtenu son doctorat de lettres en 1963.
Antoine Guillaumont a été chargé de conférence de 1947 à 1952, directeur d'études de 1952 à 1974 (IVe section, «Hébreu et araméen»), puis dans la chaire nouvelle des «Christianismes orientaux» (Ve section) de 1957 à 1981.
Il a enseigné le latin et le grec au Lycée de Monaco de 1943 à 1945.
Il a été attaché puis chargé de recherche au CNRS de 1946 à 1951.
Professeur au Collège de France dans la chaire «Christianisme et Gnoses dans l'Orient pré-islamique» de 1977 à 1986.
Membre de l'Académie des Inscriptions et Belles-Lettres (1983) où il succède à André Dupont-Sommer
Antoine Guillaumont participe à la guerre de 1939 à 1940.
Il a été secrétaire de rédaction de la Revue de l'Histoire des Religions de 1951 à 1979 et directeur de cette revue de 1980 à 2000.
Il a fait des missions (six campagnes de fouilles) en Égypte sur le site des Kellia de 1964 à 1969.
- "Le sens des noms du cœur dans l'antiquité", Les Études Carmélitaines, Paris, 1950, p. 41-81.
- Les six centuries des "Kephalaia Gnostica" d'Évagre le Pontique, Patrologia Orientalis XXVIII, 1, 1958.
- "Premier et Deuxième Livre des Macabées, Proverbes, Ecclésiaste, Compléments d'Esther, Tobit, Judith, Sagesse de Salomon, La Bible, t. I. L'Ancien Testament, sous la direction d'Édouard Dhorme, Paris : Gallimard (Bibliothèque de la Pléiade), 2 vol., 1956-1958.
- L'Evangile selon Thomas, Leyde et Paris, 1959.
- Les "Kephalaia Gnostica" d'Évagre le Pontique et l'histoire de l'origénisme chez les Grecs et chez les Syriens, Paris, 1962.
- Kellia I, kom.219. Fouilles exécutées en 1964 et 1965, sous la direction de F. Daumas et A. Guillaumont, Le Caire, 1969.
- "Le dépaysement comme forme d'ascèse dans le monarchisme ancien", Annuaire de l'EPHE, Ve section, tome 76, 1968-1969, p. 31-58.
- "Justinien et l'Église de Perse", Dumbarton Oaks Papers, t. 23-24, Washington, 1969-1970, Paris, 1971.
- "Genèse I, 1-2, selon les commentateurs syriaques", In principio. Interprétations des permiers versets de la Genèse, Centre d'Études des Religions du Livre, 1973, p. 115-132.
- Évagre le Pontique. Le Gnostique ou A celui qui est devenu digne de la science, Sources chrétiennes 356, Paris : Cerf, 1989.
- "Aux origines du monachisme chrétien. Pour une phénoménologie du monachisme. Spiritualité orientale 30, Abbaye de Bellefontaine, 1979.
- Études sur la spiritualité de l'Orient chrétien, Spiritualité orientale 66, Abbaye de Bellefontaine, 1996.
- Évagre le Pontique. Sur les pensées, par P. Géhin, C. Guillaumont et A. Guillaumont, Sources chrétiennes 438, Paris : Cerf, 1998.
- Un philosophe au désert. Évagre le Pontique, Textes et Traditions 8, Paris, Vrin, 2004.
R.-G. Coquin (dir.), Mélanges Antoine Guillaumont. Contributions à l’étude des christianismes orientaux, « Cahiers d’orientalisme » XX, Genève : Cramer, 1988.
Florence Jullien – Marie-Joseph Pierre (dir.), Monachismes d'Orient. Images, échanges, influences. Hommage à Antoine Guillaumont, Turnhout : Brepols, 2011 (BEHE-SR 148).
Charles Amiel, « Antoine Guillaumont (1915-2000) », Revue d'Histoire des Religions 217/4 (2000), p. 667-669.
Philippe Gignoux, « Antoine Guillaumont (1915-2000) », Journal Asiatique 288/2 (2000), p. 255-260.
Alain Le Boulluec, Marie-Joseph Pierre, « Antoine Guillaumont », Annuaire de l'EPHE-SR CVIII, 1999-2000 (2001), p. 17-20.
Michel Tardieu, « Nécrologie. Antoine Guillaumont (1915-2000) », Annuaire du Collège de France 101, 2000-2001 (2001), p. 81-84.
Paul Géhin, « Antoine Guillaumont (1915-2000) et Claire Guillaumont (1916-2005) : Cinquante ans de recherches sur le monachisme ancien et Évagre le Pontique », Adamantius 15 (2009), p. 85-92.