Nacque a Senigallia, quartogenito del conte Filippo Antonelli e della sua seconda moglie, Cattarina Castracani. La sorellastra Vittoria era nata dal primo matrimonio del padre con Vittoria Marazzani, mentre i due fratelli maggiori erano Angelo e Bernardino. Era nipote del cardinale Nicolò Maria Antonelli.
Ancora giovanissimo si trasferì a Roma, ove compì gli studi, dimostrando maggiore inclinazione per il diritto civile e quello canonico. Fu supplente alla prefettura degli archivi di Castel Sant'Angelo, tenuta dallo zio cardinale Nicolò e gli successe quando questi lasciò vacante la carica nel 1753.
In seguito intraprese la carriera ecclesiastica. Non si hanno informazioni sulla sua ordinazione sacerdotale, di certo percorse con rapidità la carriera curiale, distinguendosi per capacità e vigore intellettuale. Fu segretario del concistoro del 5 aprile 1756 e intervenne in tale qualità nel conclave del 1758 che elesse papa Clemente XIII e ne redasse il diario degli scrutini. Nel 1759 divenne segretario della Cifra, nel 1563 canonico di san Pietro e nel 1766 assessore del Sant'Uffizio.
Con l'elezione a pontefice di Pio VI, che aveva molta stima del prelato, fu elevato cardinale nel primo concistoro di questo pontefice, unico porporato creato in quella occasione.
Il 27 aprile 1775 ricevette la berretta rossa e il 24 maggio seguente il titolo di cardinale presbitero di santa Sabina. Nel 1780 fu nominato prefetto della Congregazione di Propaganda Fide, carica che ricoprì per quindici anni. Si occupò delle difficili trattative con la Russia per il riordinamento della gerarchia cattolica e la creazione dell'archidiocesi di Mogilev e intervenne nella questione irlandese. Tra il 1784 e il 1785 fu camerlengo del Collegio cardinalizio.
Con la rivoluzione francese, il 12 luglio 1790 fu formata una speciale commissione di cardinali, chiamata Congregazione per gli affari di Francia, per esaminare la situazione creatasi nella Chiesa francese a seguito della promulgazione della Costituzione civile del clero. Mons. Antonelli ne fece parte con i cardinali Gian Francesco Albani, Vitaliano Borromeo, Filippo Campanelli, Guglielmo Pallotta e Gregorio Antonio Maria Salviati, con l'obbiettivo di supportare le difficili decisioni che il pontefice doveva prendere. L'Antonelli di fronte allo scisma costituzionale di Francia mantenne, almeno inizialmente, un'opinione moderata.
Nel 1794 optò per la sede suburbicaria di Palestrina. Fu consacrato vescovo il 19 marzo di quell'anno a Roma, dal cardinale Giovanni Francesco Albani, coadiuvato dall'arcivescovo titolare di Nazianzo, mons. Ottavio Boni (Ch) e dal vescovo titolare di Cirene, mons. Simone de Magistris (Ch). Nel 1795 fu nominato prefetto del Supremo Tribunale della Segnatura Apostolica di giustizia.
Con l'invasione francese della Stato pontificio nel 1797, fu membro della congregazione straordinaria, formatasi alla vigilia delle trattative di Tolentino, ove si pronunciò contro la pace e per la continuazione delle ostilità. Nel febbraio 1798 Pio VI, esiliato da Roma, lo pose alla testa delle due commissioni cardinalizie, incaricate degli affari ecclesiastici e civili, ma il 9 marzo anch'egli fu imprigionato nel convento delle Convertite e in seguito in quello dei domenicani di Civitavecchia. Dal ritiro dei passionisti sul Monte Argentario, dove poté alla fine rifugiarsi, intrattenne con il pontefice, esule a Siena e alla certosa di Firenze, una fitta corrispondenza sui problemi di governo della Chiesa.
Si rifugiò in seguito a Este e alla morte di Pio VI prese parte al conclave di Venezia, sostenendovi da principio la candidatura del cardinal Alessandro Mattei, favorita dall'Austria e orientandosi poi per il cardinal Chiaramonti.
Rientrò a Roma con Pio VII, optò per la sede suburbicaria di Porto e Santa Rufina. Nel 1801 divenne penitenziere maggiore e arciprete della basilica lateranense. Fu membro di due commissioni cardinalizie per l'esame del concordato francese del 1801 e fu tra i più rigidi e diffidenti oppositori delle richieste del primo console. Atteggiamento che mantenne anche nelle successive trattative del concordato italiano e la estensione di esso a Lucca.
Negli anni tra l'incoronazione di Napoleone, alla quale assistette e l'occupazione di Roma, fu nel 1807 vescovo di Ostia e Velletri. Fu vice decano dal 1800 e divenne decano nel 1807, fu segretario del sant'Uffizio e dei Brevi. Napoleone, che ne sospettava l'ostilità, lo ritenne l'ispiratore dell'irrigidimento di Pio VII. Lo feci quindi arrestare il 6 settembre 1808 ed esiliare dapprima a Spoleto, poi a Macerata e in ultimo nella sua città natale, ove si spense il 23 gennaio 1811.
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