Antti Niemi commence le hockey dans le club de sa ville natale, Kiekko-Vantaa[1]. En 2005, il devient professionnel en signant avec les Pelicans Lahti du championnat de Finlande, la SM-liiga. Il reste trois saisons avec le club avant de quitter sa patrie et rejoindre l'Amérique du Nord.
En effet, le , il signe un contrat d'une saison avec les Blackhawks de Chicago sans passer par l'étape traditionnelle du repêchage[2]. Il joue alors la saison 2008-2009 avec l'équipe affiliée aux Blackhawks : les IceHogs de Rockford de la Ligue américaine de hockey. Il est en effet le troisième gardien de l'équipe derrière Nikolaï Khabibouline et Cristobal Huet[3]. Il profite de plusieurs blessures du gardien russe numéro un de l'équipe pour être appelé sur le banc de l'équipe et fait ses débuts dans la LNH en février enregistrant sa première victoire le , 4-2 contre les Kings de Los Angeles. Il ne joue cependant que trois matchs avant d'être réaffecté à la garde des buts de l'équipe de la LAH[4].
En , il signe une prolongation de contrat pour une nouvelle saison avec Chicago[5]. Khabibouline décide de quitter le club et Niemi se retrouve donc gardien numéro deux de l'équipe derrière Huet. Mais au cours de cette deuxième saison, Niemi fait de plus en plus parler de lui et petit à petit prend la place de Huet en tant que titulaire dans les buts de l'équipe[6]. Il mène les Blackhawks à la Coupe Stanley après avoir remporté la finale des séries 2010 contre les Flyers de Philadelphie en battant ces derniers 4 matchs à 2. Il devient agent libre restreint à l'issue de cette saison et décide de recourir à l'arbitrage. L'arbitre accorde un salaire de 2,75 millions de dollars à Niemi mais les Blackhawks rejettent le montant accordé à Niemi et ce dernier devient agent libre sans restriction le [7]. Un mois plus tard, il signe un contrat d'un an avec les Sharks de San José pour un montant de 2 millions de dollars.
Le , il obtient une prolongation de contrat de 4 ans avec les Sharks pour un total de 15,2 millions de dollars.
Alors qu'il deviendra agent libre à l'issue de la saison 2014-2015 après avoir joué cinq saisons avec les requins, ses droits sont échangés le aux Stars de Dallas contre un choix de septième tour pour le repêchage de 2015[8]. Le , il signe un contrat de trois ans avec sa nouvelle équipe[9].
Après la saison 2016-2017, les Stars décident de racheter son contrat et il devient agent libre[10]. Le , il signe un contrat d'un an avec une valeur de 700 000 $ avec les Penguins de Pittsburgh[11]. Il ne joue que trois parties difficiles (trois défaites) avec les Penguins, comme le prouvent sa moyenne de buts alloués de 7,49 et son pourcentage d'arrêts de 79,7. Il est soumis au ballottage et réclamé par les Panthers de la Floride le [12]. Il joue 2 matchs avec l'équipe mais c'est sans victoire depuis le début de la saison qu'il est de nouveau soumis au ballottage pour cette fois être réclamé par les Canadiens de Montréal le [13]. Il semble finalement se ressaisir à Montréal où il reste jusqu'à la fin de la saison pour 19 parties jouées et un pourcentage d'arrêts de 92,9. Il est même choisi pour représenter les Canadiens comme candidat au trophée Bill-Masterton remis annuellement à l’athlète qui incarne le mieux la persévérance, l’esprit sportif et le dévouement pour son sport dans la LNH pour sa persistance après avoir vu son contrat racheté et avoir été soumis au ballottage deux fois en cinq mois[14].
