Народилась 7 жовтня 1899 року в замку Гогенбург в Ленггрісі. Була четвертою дитиною та четвертою донькою в родині кронпринца ЛюксембургуВільгельма та його дружини Марії Анни Португальської. Мала старших сестер Марію-Аделаїду, Шарлотту та Хільду й молодших — Єлизавету та Софію. Своє ім'я отримала на честь тітки Антонії Португальської. В родині дівчинку кликали Тоні. Серед сестер вона вирізнялася талантом гри на фортепіано.
У 1905 році батько став великим герцогом Люксембургу, а у 1912 році пішов з життя. Матір більше не одружувалась, до повноліття Марії-Аделаїди вона виконувала функції регентки.
20 лютого 1918 року відбулися заручини Антонії, яка вважалася найкрасивішою з люксембурзьких принцес, із баварським кронпринцом Рупрехтом. Офіційно про них оголосили 26 серпня. Наречений був удівцем і мав сина-підлітка від першого шлюбу. Незабаром заручини були розірвані з політичних причин. Незважаючи на це, мати Антонії влаштувала зустріч пари влітку 1920 року, після чого між ними спалахнуло взаємне кохання. Антонія казала, що «кохає Рупрехта більше за життя», а кронпринц стверджував, що любов до принцеси змусила його знову відчути себе молодим. У лютому 1921 року було оголошено про повторні заручини, за кілька місяців пара побралися. Люксембурзький парламент схвалив цей союз з перевагою всього у два голоси.[3]
Вінчання 21-річної Антонії та 51-річного Рупрехта пройшло 7 квітня 1921 року в замку Гогенбург в Ленггрісі. Провів його папський нунцій Еудженіо Пачеллі. Цивільний шлюб зареєстрували там же за день перед релігійною церемонією. Оселилися молодята в палаці Лейхтенберг у Мюнхені, літо проводили у замку Берхтесгаден у Баварії та замку Берг в Люксембурзі. Також відвідували замки Лойштеттен, Вільденварт і Гоеншванґау. У них народилося шестеро дітей:
Генріх (1922—1958) — був одружений з Анною Марією де Люстрак, дітей не мав, загинув в автокатастрофі;
Ірмінгард (1923—2010) — дружина баварського принца Людвіга, мала трьох дітей;
Едіта (1924—2013) — була двічі одружена, мала шестеро дітей;
Гільда (1926—2002) — дружина Хуана Локетта і де Лояза, мала четверо дітей;
Габріела (1927—2019) — дружина герцога фон Крой Карла, мала трьох дітей;
Софія (нар. 1935) — удова герцога Аренберзького Жана Енгельберта,[4] має п'ятеро дітей.
Рупрехт з неприязню ставився до Гітлера та нацистів, і у 1930-х подружжя відправило дітей вчитися до Англії, аби ті не змогли вступити до будь-яких нацистських молодіжних груп. Коли в 1939 році почалася Друга світова війна, Антонія з дітьми були в Брюсселі. Сім'я була змушена тікати через політичну позицію Рупрехта. Велика герцогиня Шарлотта могла забезпечувати сестру, доки сама не виїхала з континентальної Європи у 1940 році. Антонія з сім'єю кілька разів змінювали місце проживання, поки не оселилися у Флоренції.[5]
Згодом з Італії родина виїхала до Угорщини. Коли Німеччина окупувала угорські території у жовтні 1944 року, принцеса із дітьми потрапили в полон. Антонія була ув'язнена в концтаборі Заксенгаузен, а на початку квітня 1945 року — переведена до Дахау. 29 квітня табір було звільнено американськими військами. Принцеса після перенесених страждань дала клятву більше не повертатися до Німеччини.
Здоров'я Антонії було підірване перебуванням у концтаборах. Влітку 1954 року вона допомагала молодшій доньці Софії готуватися до весілля, коли в середині липня отримала звістку, що її дочка Едіта разом із чоловіком потрапили в аварію. Едіта вижила, але зазнала серйозних травм, її чоловік загинув на місці. Антонія не змогла оговтатися від перенесеного удару і пішла з життя 31 липня1954 року в Ленцергайде в Швейцарії.