Se le deben los estudios fundamentales para la construcción de la central hidroeléctrica Cañón del Pato, así como el diseño de la central hidroeléctrica de Machu Picchu y del gran complejo hidroeléctrico del Mantaro, que hoy lleva su nombre.

Asimismo, en 1932, publicó otro estudio titulado Los tres elementos constitutivos de la materia, en el cual predijo la existencia del positrón (electrón positivo), poco antes de que se demostrara experimentalmente.

Estudió en el Colegio Nacional La Libertad de Huaraz y luego en el Colegio Nuestra Señora de Guadalupe (Lima), en este último tuvo como compañero y amigo al famoso escritor peruano Abraham Valdelomar.

En 1907, ocurrido el fallecimiento de su padre, su familia decidió enviarlo a proseguir sus estudios en Europa.

Al término de sus prácticas en 1911 realizó una gira por diferentes países europeos visitando plantas electrosiderúrgicas.

Ambos tuvieron un hijo Santiago Erik Antúnez de Mayolo Rynning, historiador y abogado que llegaría a ser diputado del Congreso de la República y quien murió en mayo del 2013.

Volvió a Lima en agosto de 1913 animado para exponer al presidente Billinghurst sus estudios sobre hidroelectricidad en el Cañón del Pato; sin embargo encontró un cerrado obstáculo en el ministro de Fomento y Obras Públicas, Fermín Málaga Santolalla, quien tildó de imposible tal proyecto.

Santiago Antúnez de Mayolo trabajó en las Empresas Eléctricas Asociadas hasta 1924, año en que tomó la administración la compañía italiana Latinalux.

Elaboró numerosos estudios y proyectos que abarcaron las especialidades de física, ingeniería, historia y arqueología; distinguiéndose en ellos su afán por resolver las falencias de energía e industrialización del Perú.

En 1924 durante el III Congreso Científico Panamericano presentó la ponencia Hipótesis sobre la constitución de la materia, en la que predijo la existencia del elemento neutro, adelantándose ocho años a su descubrimiento a cargo del físico inglés James Chadwick, quien lo llamó "Neutrón".

En 1930 publicó su estudio Nueva Ley de las Distancias Planetarias en el Sistema Solar y su interpretación física, donde incluye al todavía casi desconocido planeta Plutón, en esa fecha recientemente descubierto por el científico V. Slipher desde el observatorio de Lowell.

Al respecto, el mismo Antúnez de Mayolo refiere sobre este descubrimiento y sus esfuerzos por difundirlo en las esferas científicas:

En 1934 publicó un artículo denominado El Mundo es un sistema en Equilibrio Inestable en el cual confirmó la existencia del neutrón al decir «la materia contiene siempre neutro nuclear alrededor del cual se condensan los elementos polares activos: la electricidad positiva y la electricidad negativa, formando los corpúsculos eléctricos: protones, electrones y positrones, que constituyen, lo que llamamos materia.

En 1934 publicó en francés su estudio sobre los campos electromagnéticos y el campo gravitacional Une meme equation pour le champ electromagnetique et le champ gravitationnel, el cual presenta a la Real Academia de Ciencias de Italia.

Proyecto que lamentablemente no fue adoptado con interés por el Ministerio de Fomento y Obras Públicas.

Este estudio siguió a otro referido a potencial hidroenergético de los ríos Vilcanota y Urubamba en el Cusco, con los que se organizó luego la idea de un Plan General de Electrificación Nacional, al cual sumó su proyecto inicial del Cañón del Pato.

En 1951 realizó el estudio La Gran Lima y la Desviación del río Mantaro al Rímac considerando el rápido crecimiento de la capital y la demanda de mayor energía eléctrica.