Антонина Милюкова родилась в дворянской семье, которая не отличалась большим достатком. Обучалась в Московском Елизаветинском институте, а позже поступила в Московскую консерваторию, которую в итоге так и не окончила. С композитором Милюкова познакомилась на приеме у своего брата и сразу прониклась к Петру Чайковскому нежными чувствами. Практически каждый день она встречала Чайковского в консерватории. Эта влюбленность длилась четыре года.

В апреле 1877 года Петр Чайковский получил от Антонины Милюковой письмо с признанием в любви. За несколько месяцев до этого композитор писал близким, что готовится расстаться с холостяцкой жизнью и жениться в ближайшем времени. Это было и его собственное желание, и стремление исполнить волю отца, который подталкивал сына к созданию семьи.

Композитор согласился на встречу с Милюковой и, после визита, решил жениться. Это был брак по расчёту: Чайковский полагал, что сможет заключить союз с женщиной, которая станет для него другом, будет любить его как брата и составит ему хорошую партию в обществе. Еще до свадьбы композитор честно признавался невесте, что не питает к ней никаких чувств, но постарается стать ей хорошим другом.

Свадьба состоялась 6 июля в церкви Святого Георгия на Малой Никитской улице в Москве. Можно сказать, что Чайковский совершенно не знал свою новоиспеченную супругу — за два месяца их знакомства он в основном проживал в усадьбе друзей, работая над оперой «Евгений Онегин». У него не находилось ни минуты для встречи со своей будущей женой. Их полноценное общение началось только после свадьбы. И Чайковский был горько разочарован, он не смог испытать к ней даже дружеской симпатии. В своих письмах к близкой подруге, Надежде фон Мекк, композитор писал: «Вы, конечно, удивитесь, что я мог решиться соединить свою жизнь с такой странной подругой? Это и для меня теперь непостижимо. На меня нашло какое-то безумие».

Уже через два месяца после свадьбы в состоянии нервного истощения от непрерывных переживаний Чайковский уехал в Петербург к своему брату Анатолию, а затем и вовсе в Швейцарию. Позже он просил Антонину Милюкову о разводе, но она не согласилась: в те времена церковь соглашалась расторгнуть брак только в том случае, если кто-то из супругов признавал факт измены. До конца жизни Петр Ильич оставался женатым человеком. При жизни Чайковского и после смерти композитора по его завещанию супруга получала пенсию. В 1896 году Антонина Милюкова оказалась в лечебнице для умалишенных на станции Удельная близ Петербурга, где провела последние годы жизни.