Антонов е арестуван на 25 ноември 1982 г. в Рим по обвинение за съучастие в атентата. Той е набеден от турския терорист Мехмед Али Агджа, член на турската терористична организация "Сивите вълци", който е заловен на местопрестъплението и по-късно осъден на доживотен затвор за това, че стреля в папата на площад "Св. Петър".
На 27 ноември 1982 г. БТА разпространява официално съобщение, в което определя ареста на Антонов като "напълно незаконен, произволен, абсолютно с нищо неоправдан". В съобщението се посочва, че арестът е плод на шумна, тенденциозна и целенасочена кампания, преследваща и други теми.
На 1 декември 1982 г. е издадена заповед от съдия-следователя Иларио Мартела за арестуването на още двама български граждани - Тодор Айвазов (завеждащ финансовата служба на посолството на България в Рим) и Жельо Василев (бивш секретар на военния аташе).
В края на декември 1983 г. по лекарско настояване Сергей Антонов е изведен от затвора и поставен под домашен арест, тъй като италиански лекари констатират влошеното му психическо състояние и препоръчват по-лека мярка. Не след дълго по искане на прокурора Антонио Албано, Антонов отново е върнат в затвора.
На 28 март 1984 г. в писмо до папа Йоан Павел Втори българският патриарх Максим отбелязва, че невинността на Сергей Антонов е безспорна не само за българския народ, но и за всички непредубедени хора. От името на Светия синод на Българската православна църква патриарх Максим моли папата "да изяви дълбоката си убеденост в невинността на Антонов".
На 30 април 1984 г. в отговора си до българския патриарх папа Йоан Павел Втори информира, че на направените от Светия престол постъпки, италианското правителство предприема действия за ускоряване на процедурата, засягаща Сергей Антонов.
На 27 май 1985 г. започва процесът срещу Антонов. На 29 март 1986 г. Римският наказателен съд, под председателството на Северино Сантиапики, издава оправдателна присъда "поради недостиг на доказателства" срещу българските граждани Сергей Антонов, Тодор Айвазов и Жельо Василев. Същия ден БТА е упълномощена да декларира задоволството на българската общественост от решението. "Присъдата е признание, че българите нямат нищо общо с атентата срещу папа Йоан Павел Втори", се казва в декларацията.
На 1 април 1986 г. Антонов се завръща в България. В същия ден по време на пресконференция за 13-ия конгрес на БКП, секретарят на ЦК на БКП Стоян Михайлов заявява, че "България не е удовлетворена от оправдаването на Антонов поради недостиг на доказателства", както и че "няма честен човек на земята, който да не е стигнал до заключението, че Антонов е напълно невинен".
На 5 април 1991 г. българският посланик Огнян Пишев оповестява официално в САЩ решението на българското правителство да даде на международна независима комисия неограничен достъп до архивите в България, свързани с атентата срещу папата.
На 23 април с. г. в интервю за италианската телевизия президентът Желю Желев посочва:"Смятам, че това ново разследване е необходимо, тъй като съм сигурен, че комунистическият режим е бил способен на подобно действие". Президентът не разполага с информация за участие на български агенти в атентата, но изразява надежда, че комисията на Алън Уенстейн ще успее да хвърли светлина върху истината за покушението.
На 4 юли 1991 г. Главната прокуратура на България възобновява следствено дело номер 179 от 1982 г. срещу Мехмед Али Агджа и възлага на Главно следствено управление да бъдат извършени допълнителни следствени действия за изясняване на обективната истина.
На 17 февруари 1994 г. Националната следствена служба, след тригодишно проучване на архивите на цивилното и военното разузнаване и контраразузнаване заявява, че няма "българска следа" в атентата срещу папата.
На 7 декември 1995 г. по време на аудиенция на президента Желю Желев, папа Йоан Павел Втори за първи път заявява позицията си, че България няма вина за престъплението, извършено от турския гражданин Агджа. На въпрос на Желев:"Вярвате ли, че българският народ може да има нещо общо с атентата срещу Вас?", папата отговаря: "Намеквате за т.нар. българска следа? Вината е винаги лична. Тази следа трябва да бъде изтрита. И надявам се по този въпрос да говорим, когато пристигна в България."
В интервю от 9 октомври 1996 г. в италианския вестник "Кориере дела сера" Агджа заявява, че на 13 май 1981 г. е стрелял срещу папата по свое решение, както и че агенти на италианските тайни служби са му внушили версията за т.нар. българска следа. Пред журналиста Марко Незе, Агджа декларира: "Българската следа" е измислица на тайните служби. Сега, когато папата страда в болницата, мога да го кажа - всичко беше една машинация."
По искане от юли 1997 г. на министъра на вътрешните работи Богомил Бонев и на министъра на външните работи Надежда Михайлова към германските тайни служби по повод публикации в германската преса за разкрития на Щази за "българска следа" в атентата срещу папата, през септември 1997 г. в МВР е получена папка с копия на оригинални кореспонденции между Щази и бившата Държавна сигурност. Там не се съдържат факти за "българската следа".
На 27 март 2002 г. 39-ото Народно събрание отпуска на Сергей Антонов пенсия за особени заслуги в размер на 200 лева месечно. Тогава депутатът Станимир Илчев /НДСВ/ заявява: "За първи път в най-новата история на България едно правителство се сеща да обърне внимание върху такъв случай. Ако се наложи България да консумира друг такъв случай, ще има ориентир как да се отнася към хора като Сергей Антонов, който успя да покаже достойнството на страната и качествата на българския характер."
На 24 май 2002 г., по време на своето официално посещение в България, при срещата си с президента Георги Първанов папа Йоан Павел Втори заявява, че никога не е вярвал в т.нар. "българска следа" в опита за покушение срещу него през 1981 г. "Тъй наречената "българска връзка" в атентата срещу моята личност беше една инсинуация. Това беше една несправедливост", са думите на папата. По този повод племенницата на Антонов - Мариана Георгиева, заявява: "Все пак казаното от папата няма да направи чичо ми щастлив. Той е един разбит човек и това нищо няма да промени. Последните 20 години никой не се поинтересува от него".