Nel 2013 ha debuttato con le monoposto gareggiando nella neonata Formula Renault 2.0 Alps 2.0 con il team Prema Junior: ha vinto a Vallelunga, Imola, Monza e Mugello portando a casa anche tre ulteriori podi venendo selezionato dalla Ferrari Driver Academy.
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.
A inizio 2019 esce dal programma FDA ma viene promosso a collaudatore della Scuderia Ferrari pur continuando ad essere di supporto anche alla Academy. Nel contempo gareggia nel GT vincendo il titolo italiano della classe Pro-Am con la 488 GT3 del team AF Corse e il pilota di Singapore, Sean Hudspeth.
Nel 2020 continua a fare parte del team dedicato al simulatore e gira per la Scuderia ai test di fine stagione ad Abu Dhabi. Oltre a questo gareggia nel campionato italiano GT ottenendo due vittorie e il titolo italiano Endurance al volante della Ferrari 488 GT3 del team AF Corse e i connazionali Giorgio Roda e Alessio Rovera.
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 disputa il FIA World Endurance Championship al volante della 488 GTE di AF Corse in classe LMGTE Pro, dove conclude terzo in campionato con una vittoria, nella 8 ore del Bahrain; la serie americana IMSA con Cetilar Racing e il GT World Challenge Europe – una vittoria anche qui – con i colori di Iron Lynx. Pur mantenendo il ruolo di Development Driver della Scuderia Ferrari, nel 2023 compete con il team Ferrari AF Corse nella classe Hypercar del WEC sulla macchina 50, con la quale chiude al terzo posto in classifica avendo ottenuto tre podi: il secondo posto nella 6 ore di Monza e nella 6 ore di Portimao, e il terzo posto alla Mille miglia di Sebring. Nella medesima stagione è inoltre autore della pole position alla 24 Ore di Le Mans con la 499P.
Nel 2024 viene confermata la sua partecipazione al WEC sulla 499P, nonché il ruolo di Development Driver.