Il est le fils d'Henri III de La Trémoille, marquis de Thouars et de la princesse Catherine Henriette de Bourbon-Condé. Son enfance a été marquée par une éducation soignée qui lui a permis d'acquérir des compétences dans les domaines militaires, artistiques et littéraires.
En 1627, Antoine Philippe épouse Françoise de Rohan-Montbazon et devient marquis de Noirmoutier. Il est également nommé gouverneur du Béarn en 1630. En 1648, il achète le comté de Laval et prend le titre de duc de Thouars et prince de Talmont.
Durant sa carrière militaire, Antoine Philippe participe à la guerre de Trente Ans en Allemagne (1618-1648) et au siège de La Rochelle (1627-1628). Il est également connu pour ses actions durant la Fronde (1648-1653), une série d'émeutes populaires contre le pouvoir royal.
Après la mort du roi Louis XIII en 1643, Antoine Philippe soutient son fils mineur, le roi Louis XIV, qui monte sur le trône à l'âge de cinq ans. Il joue également un rôle important dans la régence de Anne d'Autriche et les conseils de Marie de Médicis après la mort de leur mari respectif.
En 1654, Antoine Philippe est nommé gouverneur des provinces de Languedoc, Guyenne et Perpignan. En 1670, il devient le premier ministre du royaume sous le règne de Louis XIV. Cependant, il perd la confiance royale et est démis de ses fonctions en 1671.
Antoine Philippe de La Trémoille est connu pour être l'un des grands collectionneurs d'art et bibliophiles du XVIIe siècle. Son château de Thouars, dans la région de Poitou-Charentes, est une pièce maîtresse de l'architecture française du XVIIe siècle.
Il a eu plusieurs enfants, dont le plus connu est Louis Armand Ier de La Trémoille, prince de Talmont et chef des armées françaises en Espagne durant la guerre de Succession d'Espagne (1701-1714). Antoine Philippe de La Trémoille a également été un proche conseiller du roi Louis XIV jusqu'à sa mort en 1690 à l'âge de 86 ans.