Antonelli begon zijn autosportcarrière op zevenjarige leeftijd in het karting. Hij kende een succesvolle periode, waarin hij dertien titels in zeven jaar veroverde. Zo won hij de Easykart International Grand Final, de South Garda Winter Cup, de WSK Champions Cup, de WSK Super Master Series en de WSK Euro Series. In 2019 maakte hij deel uit van het kartteam van voormalig Formule 1-wereldkampioen Nico Rosberg. Datzelfde jaar trad hij toe tot het Mercedes Junior Team, het opleidingsprogramma van het Formule 1-team van Mercedes. In zowel 2020 als 2021 werd hij Europees kampioen karting.
Formule 4
In 2021, enkele weken na zijn vijftiende verjaardag, debuteerde Antonelli in het formuleracing in het Italiaans Formule 4-kampioenschap tijdens het vijfde raceweekend op de Red Bull Ring voor het Prema Powerteam. In zijn eerste race eindigde hij al als beste rookie. In het laatste raceweekend op het Autodromo Nazionale Monza behaalde hij drie podiumfinishes. Alhoewel hij meer dan de helft van het seizoen miste, werd hij met 54 punten tiende in het klassement.
Vervolgens nam hij voor Prema deel aan zowel het Italiaans als het ADAC Formule 4-kampioenschap. In het Italiaans kampioenschap won hij dertien van de twintig races, waaronder alle drie de races in de weekenden op het Circuit de Spa-Francorchamps, het Autodromo Vallelunga en het Circuit Mugello. Met 362 punten werd hij overtuigend gekroond tot kampioen in de klasse. In het ADAC-kampioenschap moest hij het raceweekend op de Lausitzring missen. Hij won negen van de vijftien races waar hij aan deelnam, waaronder alle drie de races op de Hockenheimring Baden-Württemberg. Met 313 punten werd hij ook in deze klasse kampioen.
Hij sloot het seizoen af in de F4 Cup van de FIA Motorsport Games en won zowel de kwalificatie- als de hoofdrace, ondanks een gebroken pols die hij opliep bij een ongeluk in de kwalificatie.
Formule Regional
In 2023 begon Antonelli het seizoen in het Formula Regional Middle East Championship, waarin hij voor Mumbai Falcons Racing Limited reed. In de eerste twee raceweekenden op het Dubai Autodrome en het Kuwait Motor Town behaalde hij drie tweede plaatsen, voordat hij in het daaropvolgende weekend, eveneens in Koeweit, zijn eerste twee zeges behaalde. In het volgende weekend op Dubai voegde hij hier een derde zege aan toe en hij sloot het seizoen af met een podiumplaats op het Yas Marina Circuit. Met 192 punten werd hij gekroond tot kampioen in de klasse.
In 2024 sloeg Antonelli de normaal gesproken volgende stap op de autosportladder, het FIA Formule 3-kampioenschap, over en debuteerde hij in de Formule 2 bij Prema. Hij behaalde een sprintracewinst op Silverstone en een overwinning op de Hungaroring. Ook stond hij op het Baku City Circuit op het podium. Hij moest het laatste raceweekend op Yas Marina vanwege ziekte overslaan. Met 113 punten werd hij zesde in de eindstand.
Formule 1
Op 29 augustus 2024 reed Antonelli voor het eerst een vrije training in de Formule 1 tijdens de Grand Prix van Italië.[1] Hij zette een tijd neer van 1:23.955 en werd daarmee laatste.
Op 31 augustus 2024 werd bekend dat Antonelli in 2025 voor het Formule 1-team van Mercedes zal rijden.[2]
Op 25 oktober kwam Antonelli weer in actie tijdens de eerste vrije training van de Grand Prix van Mexico-Stad.[3] Hij reed een tijd van 1:19.200 en werd daarmee twaalfde.