Andrea Antonelli wurde am 17. Januar 1988 im italienischen Castiglione del Lago geboren, wo er bis zum heutigen Tag zusammen mit seinen Eltern wohnte. Nachdem er seine Karriere auf Minimotos begann, schaffte er 2002 den großen Sprung ins Team Skizzato. Er trat auf einer 125er Aprilia in der italienischen Meisterschaft an, wobei sein Talent schnell entdeckt wurde.

Nach ein paar Monaten Eingewöhnungszeit siegte er zum ersten Mal in Magione. Im Jahr darauf trat Antonelli im Team Leardini auf einer Honda in der europäischen 125ccm Meisterschaft an und erhielt 2004 sogar die Chance auf einen ersten Grand-Prix-Start. 2004 trat er in der italienischen und in der spanischen Meisterschaft zugleich an und wurde von Kawasaki entdeckt. Nach einem Test in Monza stieg er mit dem Lightspeed Kawasaki Team in der europäischen Superstock600-Meisterschaft an, die im Rahmen der World Superbike ausgetragen wird.

Sein erstes STK600-Jahr beendete der Italiener auf Gesamtposition sechs. 2006 konnte Antonelli diesen Platz sogar noch einmal verbessern. Mit Podestplätzen in Holland, Frankreich und England kletterte er auf Rang fünf. Auch 2007 trat er in der Supertock600 an, dieses Mal im Team Italy Megabike AX52. Mit einem Sieg in Assen und vier zweiten Plätzen wurde Antonelli europäischer Vizemeister und stieg im Jahr darauf in die World Superstock 1000 auf.

Mit dem Honda Althea AX52 Team fuhr er nicht nur die Superstock100, sondern auch zwei Gaststarts in der World Supersport in Katar und Australien. 2009 wechselte Antonelli ins Team Trasimeno Yamaha Italy, in dem er sich aber nicht sonderlich gut an die neue Yamaha R1 gewöhnen konnte. Also entschied er 2010 zu Honda zurückzugehen und trat seitdem dauerhaft in der Supersport-WM an. In dieser Saison pilotierte der 25-Jährige eine Kawasaki ZX-6R im Team Goeleven und lag bis zu seinem tragischen Unfall in Moskau mit 55 Punkten auf Platz sieben der Gesamtwertung.