Dal 2018 Antonelli entra nel team Kart Republic di Dino Chiesa, che in passato ha lavorato con Lewis Hamilton e Nico Rosberg al tempo dei kart.[6] In quell'anno vince il WSK Champions Cup - 60 Mini e arriva secondo nel campionato italiano di Kart. L'anno seguente sale di categoria, passa alla OKJ, vince il WSK Euro Series e la WSK Final Cup, arriva secondo nel FIA Karting European Championship[7][8]. Nel 2020 passa alla categoria OK, vince il WSK Euro Series e diventa il Campione europeo nella sua categoria, vincendo due delle quattro gare della serie finale[1][9]. Sempre nel 2020 partecipa al campionato mondiale FIA di Kart dove è coinvolto in un incidente, procurandosi delle fratture[10]. Guarito dall'infortunio, Antonelli torna alla vittoria nel Campionato Europeo CIK-FIA[11].
Nel 2023, oltre agli impegni in monoposto, Andrea fonda insieme a suo padre la AKM Motorsport by Kart Republic, un team per lanciare in kart giovani promesse. Il pilota italiano svolge anche ruoli di coach e dello sviluppo dei telai[12].
Formula 4
Nel marzo del 2021 partecipa ai suoi primi test con una vettura di Formula 4 con il team AKM Motorsport sul Red Bull Ring[13]. Compiuti quindici anni esordisce dal quinto round della Formula 4 italiana con il team Prema[14][15]. Nelle prime gare di Spielberg e del Mugello finisce quattro volte in top 10, mentre sul circuito di Monza conquista i suoi primi podi in monoposto, arrivando secondo in gara uno e terzo in gara due e in gara tre. Pur avendone disputato solo 9 sulle 21 totali riesce a chiudere decimo nella classifica generale e quarto nella classifica riservata ai rookie. Lo stesso anno Antonelli vince il Supercorso Federale dell'ACI[16].
Antonelli viene confermato dal team Prema per il 2022, partecipando ad alcune gare del Formula 4 degli Emirati Arabi Uniti[17], alla Formula 4 italiana[18] e quella tedesca[19]. L'italiano si dimostra molto veloce, vincendo ben 24 gare su 43 disputate, due nella serie degli Emirati Arabi Uniti, tredici nella serie italiana e nove in quella tedesca. Nella serie degli Emirati chiude ottavo con solo due round su cinque disputati, mentre vince gli altri due campionati[2][3].
A fine ottobre Antonelli rappresenta l'Italia nel FIA Motorsport Games nella categoria Formula 4[20], conquistando la medaglia d'oro dopo aver dominato tutte le sessioni[21], nonostante si fosse rotto il polso sinistro dopo un contatto durante le prove[22]. Antonelli con ventisei vittorie diventa il secondo pilota di maggior successo della storia della FIA Formula 4 dietro a Richard Verschoor[23].
Per il resto dell'anno si iscrive alla Formula Regional europea con il team Prema[29]. Nelle prime quattro corse della stagione riesce a raggiungere il podio in tre occasioni, mentre la sua prima vittoria arriva nella seconda corsa di Spa-Francorchamps davanti a Tim Tramnitz[30]. Dopo essersi sbloccato vince altre due corse, la prima al Mugello e la seconda al Paul Ricard[31][32]. Nelle due gara di Monza ottiene una doppia vittoria[33], ma in gara 1 viene penalizzato ed esce dalla zona punti[34]. Con la vittoria in gara due di Zandvoort il pilota italiano si laurea campione con una corsa d'anticipo[35]. Antonelli, così facendo, si aggiudica il suo quarto titolo in altrettante categorie disputate[36].
Gran Turismo
Nel 2023 in contemporanea alla Formula Regional europea, Antonelli prende parte ad alcuni round del Campionato Italiano Gran Turismo, nella serie Sprint con il team di famiglia AKM Motorsport[37]. Il pilota italiano scende in pista a Misano con la Mercedes AMG GT3, correndo da solo ha un Handicap tempo di 5 secondi in gara, tuttavia ottiene la Pole position, il giro veloce e la vittoria in gara uno[38][39]. Nella seconda gara, pur avendo un Handicap tempo di venti secondi, riesce a raggiungere il podio al ultima curva, chiudendo terzo e ottenere il giro veloce[40].
Formula 2
Nell'ottobre del 2023 viene annunciato che Antonelli l'anno seguente correrà in Formula 2 sempre con il team Prema, saltando di fatto la Formula 3[41][42]. Il team Prema ha più difficoltà del previsto ma Kimi riesce a dimostrarsi più veloce del suo compagno di team, Bearman. Nella prima parte della stagione sfiora il podio tre volte arrivando quarto e nella Sprint Race di Silverstone ottiene la sua prima vittoria nella serie dopo un ottima gara sotto la pioggia[43].
Formula 1
Nel 2019 Antonelli diventa membro del Mercedes Junior Team[6]. Nel aprile del 2024 si dà il via ad un programma di test ad hoc con la scuderia tedesca[44]. Il primo test avviene a Spielberg con la Mercedes W12[45], dove il pilota italiano compie due giorni di test, il primo giorno ha corso sotto la neve mentre nel secondo è riuscito a montare le soft[46]. Il secondo test si tiene sul Circuito di Imola questa volta con la Mercedes W13[47][48].
^Nel round del Red Bull Ring, a causa dell'alto numero di partecipanti iscritti, sono state disputate quattro gare invece di tre: i piloti sono stati divisi in tre gruppi e hanno corso due delle prime tre gare, in cui si sfidavano due gruppi alla volta. All'ultima gara accedevano i migliori delle tre precedenti. Antonelli ha corso in Gara 2, in Gara 3 e in Gara 4
^Gara 3 è stata sospesa a causa della forte pioggia