Après la défaite socialiste au premier tour de l'élection présidentielle le et l'arrivée de Jean-Marie Le Pen au second tour, Antoine Détourné adhère « au PS, au MJS et à l'UNEF dans la même semaine. »[2] En 2005, il devient secrétaire national à la formation du MJS[2]. Lors de la primaire interne au PS pour choisir le candidat à l'élection présidentielle de 2007, Antoine Détourné déclare avoir voté pour Laurent Fabius[2].
Il devient ensuite secrétaire-adjoint de la section socialiste d'Arras[6] et un des secrétaires fédéraux responsable du laboratoire des idées de la fédération socialiste du Pas-de-Calais[7].
Il est candidat du Parti socialiste aux élections cantonales de . Il se présente dans le Pas-de-Calais, sur le Canton d'Arras-Ouest, où il est battu, obtenant 49,87 % des voix au second tour, par Denise Bocquillet, candidate du MoDem[8].
En 2014, il est élu conseiller municipal d'opposition à Arras et conseiller communautaire de la Communauté urbaine d'Arras. En 2020, il est réélu conseiller municipal d'opposition sur la liste Arras écologie.