Ses talents sont rapidement reconnus et il entre à l'atelier de François Clouet en 1510, à l'âge de onze ans. Il y travaille jusqu'en 1518, où il s'installe à Rome pour étudier le style antique. C'est durant cette période qu'il rencontre Raphaël et Michel-Ange, qui font une forte impression sur lui et l'influencent considérablement.
En 1530, Antoine retourne en France pour prendre la direction de l'atelier royal sous le règne de François Ier. Il réalise plusieurs portraits du roi, notamment celui du couple royal au château de Fontainebleau. En 1540, il est appelé à Milan par Charles Quint pour travailler sur les décors de la chapelle Sainte-Marie-des-Grâces. C'est durant cette période qu'il conçoit le célèbre dessin de la Vierge au chapelet.
En 1546, il est rappelé en France pour travailler sur les décors du palais des Tuileries à Paris et pour réaliser le grand retable de la Chapelle de Jésus à Rouen. En 1550, il travaille à nouveau sous Charles Quint, qui l'envoie à Malines pour y concevoir la Salle des Marches du palais des évêques. C'est durant cette période qu'il réalise le célèbre Retable de Durandart.
En 1562, il retourne en France et poursuit son travail sur les décors de la chapelle de Jésus à Rouen. Il travaille également pour les églises de Saint-Antoine-des-Champs et des Jacobins à Paris. Antoine meurt le 2 août 1568 à Paris, où il est enterré dans l'église des Jacobins.
La carrière d'Antoine a été marquée par une recherche constantes d'innovation et de perfectionnement technique. Il est considéré comme l'un des principaux représentants du style maniériste, qui se caractérise notamment par un emploi délibéré de la perspective et des effets clair-obscur pour donner une sensation de profondeur et de réalité aux œuvres. Antoine a également développé une technique particulière de fresque appelée *grazie*, qui consiste à créer une texture semblable à la tapisserie sur les murs.
Au-delà de ses réalisations artistiques, Antoine est considéré comme un représentant important du mouvement protestant en France, et il a probablement contribué au développement des idées réformistes dans l'art français. Son influence est encore sentie aujourd'hui et son œuvre continue d'être étudiée et admirée à travers le monde.