À partir de 1872, sous l'influence de sa longue amitié avec Émile Zola, il se tourne vers le naturalisme. Zola s'inspire des ardeurs révolutionnaires de Guillemet pour créer le personnage de Gagnière dans L'Œuvre.
S'il se voit refusé aux Salons de 1866 et de 1867, le succès et les honneurs viennent vite. Nommé chevalier de la Légion d'honneur en 1880, officier en 1896, commandeur en 1910[5], il aide Monet et soutient Cézanne. La seule toile de Cézanne reçue au Salon l'est grâce à Guillemet en 1882, alors qu'il est membre du jury[6]. En 1883, il réalise un dessin, intitulé Et pendant que le vieux moulin ne battait que d'une aile, pour illustrer la pièce, Le Rêve d'un Viveur, de Jean-Louis Dubut de Laforest, il est publié dans le recueil de la pièce[7].
Descendant d'un armateur rouennais, Guillemet découvre, dès 1881, le Cotentin et le Val de Saire, qui lui inspirent des œuvres comme La Plage à Saint-Vaast-la-Hougue exposée au Salon des artistes français de 1881, Morsalines (Salon de 1882), Le Hameau de Landemer (Salon de 1886), La Baie de Morsalines et La Hougue (Salon de 1887), La Chapelle des marins à Saint-Vaast-la-Hougue (Salon de 1888), La Baie de Saint-Vaast et Coup de vent (Salon de 1890), Saint-Vaast-la-Hougue (Salon de 1893), Mer basse sur Saint-Vaast-la-Hougue (Salon de 1895), Barfleur (Salon de 1896), La Tour de la Hougue (Exposition universelle de 1900 à Paris).
Jules Martin, « Jean Baptiste Antoine Guillemet », Nos peintres et sculpteurs, graveurs, dessinateurs, Paris , Flammarion, 1897, p. 199.(en ligne).
« Guillemet », Album Mariani : portraits, biographies, autographes, Paris, Librairie Henri Floury, 1897, p. 126.(en ligne sur Gallica).
« Un amateur d'art anglais à la recherche des œuvres cotentines d'Antoine Guillemet », La Presse de la Manche, .
Yann Gobert-Sergent, « Antoine Guillemet (1841-1918) - Un grand peintre parisien sur les chemins d'Equihen », Le Portel, Revue du Cercle Historique Portelois, , p. 11–17.