Ha gareggiato poi in diversi campionati europei fino ad arrivare alla categoria KF2 e, nel 2012, a concludere terzo nel WSK Euro Series e quarto nel CIK-FIA European KF2 Championship.
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 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, nella stagione 2023, 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.
Con il successo alla 24 Ore di Le Mans 2024, guidando la 499P numero 50 condivisa con Molina e Nielsen, è diventato il settimo pilota italiano a firmare la vittoria assoluta con Ferrari nella gara endurance più celebre. Nel FIA WEC, inoltre, Fuoco, ha firmato una pole position a Imola, e si è classificato secondo nella classifica Piloti.
Con la 296 GT3 nell’IMSA è arrivato secondo a Sebring.