Андреа Кими Антонелли родился 25 августа 2006 года в Болонье. Его отец Марко — бывший гонщик, руководитель собственной команды Antonelli Motorsport, в которой Кими с семи лет и начинал в картинге. Первый титул в картах выиграл в 2015 году, а в апреле 2019-го, в двенадцать лет, вошёл в молодёжную программу Mercedes.
В 2019 году выиграл серии WSK Euro Series и WSK Super Master Series в классе OK-Junior. В 2020-м перешёл в класс OK, стал чемпионом Европы FIA по картингу и снова взял WSK Euro Series. В 2021 году защитил европейский титул.
Первые гонки на формулах провёл в 2021 году в итальянской Формуле-4 и Формуле-4 ОАЭ с командой Prema. В 2022 году выиграл сразу два первенства — итальянскую Формулу-4 и немецкую ADAC. В 2023-м взял титул региональной Формулы Ближнего Востока, а затем и европейской региональной Формулы (FRECA): пять побед, чемпионство оформлено в Зандворте за этап до конца сезона.
Ступень Формулы-3 пропустил: в 2024 году сразу поехал в Формуле-2 за Prema. Выиграл спринт в Сильверстоуне под дождём и основную гонку на Хунгароринге — и стал самым молодым гонщиком в истории серии с несколькими победами. Сезон закончил шестым в зачёте.
Первую тренировку в чемпионате мира провёл 30 августа 2024 года на Гран-при Италии в Монце — и в первые десять минут сессии разбил машину в повороте Параболика. На следующий день, 31 августа 2024 года, Mercedes объявила, что в 2025 году он займёт место Льюиса Хэмилтона, уходящего в Ferrari, и станет напарником Джорджа Расселла. Ему было восемнадцать лет.
Дебютировал на Гран-при Австралии 16 марта 2025 года: стартовал шестнадцатым и финишировал четвёртым, став третьим по молодости гонщиком, выходившим на старт Гран-при. На Гран-при Японии 6 апреля 2025 года по ходу гонки возглавлял пелотон и показал быстрейший круг — самый молодой лидер гонки и самый молодой автор быстрейшего круга в истории чемпионата; финишировал шестым.
В Майами 2 мая 2025 года выиграл квалификацию спринта — первый поул в карьере и самый молодой обладатель поула любого формата. Первый подиум взял на Гран-при Канады 15 июня 2025 года, финишировав третьим. В конце сезона поднимался на подиум два этапа подряд: второе место на Гран-при Сан-Паулу 9 ноября и третье в Лас-Вегасе 23 ноября 2025 года, куда прорвался с семнадцатого места на старте. Чемпионат 2025 года закончил седьмым; Mercedes заняла второе место в Кубке конструкторов.
Сезон 2026 года, первый по новому техническому регламенту с активной аэродинамикой и силовыми установками, где около половины мощности даёт электрическая часть, начал вторым местом на Гран-при Австралии 8 марта. На Гран-при Китая 14 марта 2026 года взял первый поул в Гран-при и стал самым молодым обладателем поула в истории чемпионата, побив рекорд Себастьяна Феттеля 2008 года. 15 марта выиграл гонку — первая победа в карьере, вторая по молодости в истории и первая победа итальянца в Гран-при после Джанкарло Физикеллы в Малайзии в 2006 году.
Победа на Гран-при Японии 29 марта 2026 года вывела его в лидеры личного зачёта — самого молодого в истории чемпионата. Затем выигрывал в Майами 3 мая, Канаде 24 мая, Монако 7 июня и Бельгии 19 июля. 4 июля 2026 года выиграл спринт Гран-при Великобритании — первый спринт в карьере.
На домашнем Гран-при Италии 6 сентября 2026 года стартовал девятнадцатым из-за штрафа, связанного с силовой установкой, и выиграл — первый итальянец, победивший в Монце, после Лудовико Скарфьотти в 1966 году. Через неделю, 13 сентября, выиграл Гран-при Испании на трассе Madring в Мадриде.