Η στενή σχέση του Θόδωρου Αντωνίου με την Εθνική Λυρική Σκηνή ξεκίνησε στα χρόνια της Μεταπολίτευσης και κορυφώθηκε με την Πειραματική Σκηνή της ΕΛΣ, την οποία διηύθυνε για οκτώ χρόνια από το 2003 έως το 2011.
Κατά τη Μεταπολίτευση, την περίοδο διεύθυνσης της ΕΛΣ από τον αρχιμουσικό Δημήτρη Χωραφά, ο Θόδωρος Αντωνίου στήριξε την ανανεωτική προσπάθεια και τις επιλογές του Αναπληρωτή διευθυντή Μάνου Χατζιδάκι, με τον οποίο διατηρούσε φιλικές σχέσεις. Τον Ιανουάριο του 1977 διηύθυνε ο ίδιος σε πανελλήνια πρώτη την όπερα του Λουίτζι Νταλλαπίκκολα Ο φυλακισμένος.
Το 2003/4, επί καλλιτεχνικής διεύθυνσης Λουκά Καρυτινού, εγκαινιάστηκε η λειτουργία της Πειραματικής Σκηνής της ΕΛΣ υπό τη διεύθυνση του Θόδωρου Αντωνίου, συνθέτη, αρχιμουσικού και από το 1989 προέδρου της Ένωσης Ελλήνων Μουσουργών. Η Πειραματική Σκηνή της ΕΛΣ λειτούργησε από την αρχή με αναθέσεις προς σύγχρονους Έλληνες συνθέτες, οι όπερες των οποίων συνταιριάζονταν με έργα ξένων συναδέλφων τους. Μέχρι και το 2010 οι παραγωγές παρουσιάζονταν στα στούντιο της ΕΛΣ στην οδό Πειραιώς 199 και οι παραστάσεις δίδονταν με ελεύθερη είσοδο. Επίσης, το ενόργανο σύνολο που στήριζε τις παραγωγές ήταν ολιγομελές, γεγονός που προσδιόριζε τις επιλογές τόσο των νέων έργων όσο και εκείνων που προέρχονταν από το διεθνές ρεπερτόριο.
Την ορχήστρα διηύθυνε σε όλες τις παραγωγές ο ίδιος ο Αντωνίου. Οι τελευταίες παραστάσεις της Πειραματικής Σκηνής της ΕΛΣ, πριν την κατάργησή της, πραγματοποιήθηκαν την άνοιξη του 2011 στο θέατρο Ολύμπια. Συνολικά, η Πειραματική Σκηνή παράγγειλε εννέα νέα έργα σε ισάριθμους σύγχρονους Έλληνες συνθέτες.
