Antoine Vollon commence sa carrière à Lyon, où il apprend la gravure sur métaux et fréquente l'École des beaux-arts de Lyon. Il est l'élève de Théodule Ribot. L’artiste maîtrise ensuite rapidement la peinture à l'huile et s’intéresse à l’eau-forte, mais développe vite une attention particulière pour les natures mortes : des poissons de mer, des courges et des coupes de fruits sont autant de thèmes qu’il décline. Tout ce qui relève plus ou moins d’un défi autant technique qu’artistique capte son attention, de la représentation d’armures - pour les reflets du métal et le rendu des volumes - jusqu’au cochon pendu et vidé - pour les variations de teintes des chairs mises à nu.
En 1859, il se rend à Paris et y rencontre de nombreux artistes, notamment le sculpteur Jean-Baptiste Carpeaux, le peintre et graveur Joseph Soumy et Lucien Guitry qui deviendront des amis proches. Il devient également l'un des amis d’Alexandre Dumas fils, qui l’accueille chez lui sur la côte normande.
Antoine Vollon séjourne ensuite à Trouville-sur-Mer puis finit par s’installer en 1863, année de son mariage, dans un corps de ferme à Mers-les-Bains, petit village de pêcheurs situé sur le littoral picard. L’artiste demeurera à Mers-les-Bains jusqu’en 1882, laissant ensuite la maison à son fils Alexis Vollon (1865-1940), également peintre. Il expose au Salon de 1878 le portrait d'un Espagnol avec un chien à ses pieds[3].
Parmi les peintres provençaux qui se réclament de lui, il faut citer Jean-Baptiste Olive qui, présenté à Vollon par son ami le peintre Robert Mols, résida à Mers-les-Bains deux mois durant en 1878. La facture de ses natures mortes se ressent de l'influence « vollonienne ». Trois séjours d'hiver à Marseille (1879, 1880 et 1882) attirent dans son atelier du Vieux-Port nombres d'étudiants de l'école des beaux-arts déçus par l'enseignement officiel et qui, dès lors, le proclameront leur « patron » voire leur « père ». C'est le cas d'Étienne Martin qui lui consacre en 1823[Quoi ?] un vibrant hommage[4], de Raymond Allègre, Théophile Mayan et de Joseph Garibaldi qui se tient au chevet de son maître pour l'assister tout un mois en jusqu'à ses derniers instants.
Il est élevé au grade d'officier de la Légion d'honneur, et élu membre de l'Académie des beaux-arts en 1897.
Considéré comme un artiste productif, fougueux et particulièrement doué, Antoine Vollon a une préférence marquée pour les effets de lumière et les grands ciels tourmentés.
Ses œuvres sont aujourd’hui conservées dans des musées du monde entier (Amsterdam, Londres, Washington, New York, Boston…) et en France, à Paris au musée d'Orsay (Autoportrait), à Lyon, Amiens, Rouen ou Dieppe, dont le musée conserve plusieurs toiles, dont Femmes du Pollet à Dieppe et Poissons de mer.