Fuoco debutta nei kart all'età di quattro anni e corre in diversi campionati europei, salendo dalle categorie junior alla KF2 nel 2012, concludendo 3º nella WSK Euro Series e 4º nell'Europeo KF2 CIK-FIA[1][2].
Nel 2017 passa alla Formula 2 con il team Prema, ma la stagione non inizia bene per Antonio, che conquista un solo podio in Austria al Red Bull Ring. La prima metà di stagione è caratterizzata da errori e sfortune che lo portano a un distacco consistente dal compagno di squadra Charles Leclerc. Le cose migliorano nella seconda parte di stagione dove conquista una vittoria e tre podi tra le gare di Spa e Monza. Conclude la stagione in ottava posizione[10].
Nella stagione successiva resta nella categoria, passando al nuovo team Charouz[11]. Nel corso della stagione ottiene due vittorie e sei podi in totale, migliorando il risultato della stagione precedente e piazzandosi al settimo posto in classifica generale.
Formula E
Nel 2018 viene ufficializzato l'ingaggio da parte del team Dragon del pilota italiano come collaudatore.
Nel 2022 con il team AF Corse partecipa alla classe LMGTE Pro del WEC. Fuoco si dividerà la Ferrari 488 GTE Evo con Miguel Molina[14]. Dopo quattro podi, nel ultima gara, la 8 Ore del Bahrain arriva la prima vittoria del duo e chiudono terzi in classifica.
Nel gennaio del 2023 viene scelto come pilota ufficiale del marchio per portare in pista la nuova Ferrari 499P, che dividerà con Miguel Molina e Nicklas Nielsen[16]. Fuoco ottiene la Pole position nella 1000 Miglia di Sebring, gara d'esordio[17] e in gara chiude terzo[18]. Nella 6 Ore di Portimão l'equipaggio ottiene il secondo posto[19], mentre a Spa-Francorchamps il team è costretto a un ritiro dopo l'incidente di Fuoco. Per la 24 Ore di Le Mans, Antonio fa registrare il giro più veloce e conquista la Hyperpole[20] e chiude quarto in gara. Nel resto della stagione ottiene altri due podi, il secondo posto nella 6 Ore di Monza e il terzo posto nella 8 Ore del Bahrain.
Confermato anche per la stagione 2024 con i suoi compagni, ottiene il sesto posto nella prima 1812 km del Qatar mentre conquista la sua seconda pole nella 6 Ore di Imola[21]. In gara il team sbaglia strategia perdendo la testa della corsa e l'equipaggio si deve accontentare di un quarto posto ottenuto al ultimo giro superando la Toyota Gazoo Racing[22].
† Poiché Fuoco era un pilota ospitato, non poté prendere punti. ‡ I punti contano solo per la Michelin Endurance Cup e non per il campionato LMP2 generale. * Stagione in corso.
Formula Renault 2.0 Alps
(legenda) (Le gare in grassetto indicano la pole position) (Gare in corsivo indicano Gpv)