Валентин Антов е част от отбора на ЦСКА от есента на 2007 година, когато започва тренировки в детско-юношеската школа.

На 14-годишна възраст (през 2015 г.), юношата започва да тренира с мъжкия отбор на ЦСКА. През последвалия сезон записва мачове в турнира за Купата на България и във "В" група, преди да получи тежка контузия, която го изважда от терените за 8 месеца.

От юни 2017 Антов отново тренира с мъжкия отбор. След като от ранна детска възраст играе на поста централен защитник, в първия тим той е използван като дефанзивен халф. Армеецът записва своя официален дебют в Първа лига на 14 април 2018 година срещу Верея при победата с 5:1 на "Армията". Дебютът му в евротурнирите е срещу Рига на 12 юли на "Българска армия", когато започва като титуляр. На 23 август Валентин Антов подписва първия си професионален договор с ЦСКА.

За юношеския национален отбор дебютира в контролен мач срещу Вестфалия през септември 2015 г., а официалният му дебют е в квалификацията за Европейското първенство за юноши до 17 г. срещу Италия (0:3) на 21 октомври 2015 г.

На церемонията "Футболист на годината" на 6 януари 2019 г., 18-годишният Валентин Антов печели наградата в класацията за най-проспериращ млад играч до 21 години.