L’anno seguente Fuoco ha debuttato nella Formula 3 europea con il Prema Powerteam concludendo quinto nella classifica con due vittorie a Silverstone e Spielberg e dieci podi in 33 gare. Nel 2015 arriva il debutto in GP3 con il Carlin Motorsport con il quale ottiene due podi. In quell’anno arriva il debutto in Formula 1 quando guida la Ferrari nei due giorni di test successivi al Gran Premio d’Austria.
Nel 2016 in GP3 passa al team Trident concludendo terzo in campionato e conquistando la sua prima vittoria. Nel 2017 Antonio sale in Formula 2 tornando al team Prema dove si ritrova come compagno di Squadra il campione GP3 Charles Leclerc. L’italiano vince a Monza davanti ai tifosi della Ferrari. L’anno seguente Fuoco si impone a Monaco e ad Abu Dhabi con i colori del team Charouz Racing System.
Nel 2021 e nel 2022 continua a collaborare con la Scuderia – guida al simulatore e in un test organizzato ad agosto sulla pista di Imola – e con la Ferrari Driver Academy aumenta il proprio coinvolgimento nelle competizioni Gran Turismo, esordendo nel mondiale Endurance FIA WEC con la 488 GTE di Cetilar Racing, con cui ottiene il successo nella classe LMGTE Am nella 8 Ore di Portimão, e disputando una stagione da protagonista nel GT World Challenge Europe e nell’Intercontinental GT Challenge al volante della 488 GT3 Evo 2020 di Iron Lynx e AF Corse. Nel 2022, Fuoco disputerà il FIA World Endurance Championship al volante della 488 GTE di AF Corse in classe LMGTE Pro, la serie americana IMSA con Cetilar Racing e il GT World Challenge Europe ancora per i colori di Iron Lynx.
Al debutto nel team ufficiale nel FIA WEC assieme a Molina, Fuoco è riuscito ad ottenere la prima vittoria iridata nella 8 Ore del Bahrain. Antonio è stato tra i più veloci in tutta la stagione, durante la quale ha corso anche in IMSA, vincendo la 12 Ore di Sebring. Anche per lui, molti test con la 499P.
Al rientro nella classe regina del Mondiale endurance dopo mezzo secolo, in 2023 season, Ferrari ha ottenuto la pole position alla 1000 Miglia di Sebring, primo atto del FIA WEC: a firmarla il pilota italiano sulla 499P numero 50, risultato il più veloce – sia in qualifica sia in gara – anche alla 24 Ore di Le Mans.