Niccolò Antonelli ha seguido los pasos de su padre en el mundo de la competición y sus aspiraciones pasan por llegar a competir en la categoría reina del Campeonato del Mundo y ganar carreras.
Su trayectoria deportiva comenzó en 2004 cuando tenía ocho años. Su progreso fue constante, con victorias en pruebas del campeonato regional y nacional antes de pasar al Campeonato de Europa. Posteriormente disputó en España los campeonatos catalán y mediterráneo. Antonelli tuvo una espectacular temporada 2011, que culminó adjudicándose el título de campeón de 125cc en el campeonato italiano de velocidad.
Su talento le abrió las puertas del Mundial, donde debutó en 2012 de la mano del equipo San Carlo Gresini Moto3 de Moto3 sobre una FTR. Tras rozar el podio en varias carreras, en la posición final del Mundial de Moto3 solo consiguió quedar en la posición 14.
En el año 2013 continúa con la misma escudería y misma moto.
En 2013, se mantiene en el mismo equipo, como compañero de equipo de Lorenzo Baldassarri. Obtiene como mejor resultado un séptimo lugar en Italia y términa la temporada en el puesto 16 con 47 puntos.
En la temporada 2014 se mantiene en el mismo equipo, como compañero de equipo de Enea Bastianini. Corré con el número 23. Obtiene una pole en Valencia y el quinto lugar en los Países Bajos como el mejor resultado en la temporada; termina la temporada en el puesto 14 con 68 puntos.
En 2015 pasa al equipo Ongetta-Rivacold, conducuendo una Honda; como compañero de equipo de Jules Danilo. Ganó su primera carrera de Moto3 en Brno, al partir desde la pole position. En Gran Bretaña y en San Marino término en tercer lugar. Ganó otra vez en Japón y obtuvo la pole position en Malasia. Terminó la temporada en el quinto lugar con 174 puntos.
En la temporada 2016 se mantiene en el mismo equipo, con la misma moto, su compañero de equipo sigue siendo el francés Jules Danilo. Ganó el primer Gran Premio de la temporada en Catar. Obtuvo la pole en Francia. Esta temporada se vio obligado a perderse el Gran Premio de Alemania a causa de una caída en la clasificación, en la que tuvo una fractura de la clavícula izquierda cerca del esternón. Terminó la temporada en la undécima posición en la clasificación de pilotos con 91 puntos.
