Antoine war der Sohn des Ebenisten Jean Baptiste Antoine (1705–1772) und dessen Ehefrau Louise Denise Pinel († 1776). Sein jüngerer Bruder war der spätere Bildhauer Jean Denis Antoine (1735–1802). Seine Nichte heiratete den Architekten François Soufflot (1750–1801), einen Neffen des Architekten Jacques-Germain Soufflot.
Antoine studierte bei einem unbekannten Architekten und bildete sich baupraktisch und autodidaktisch fort. Dabei rezipierte er insbesondere den altrömischen Architekturtheoretiker Vitruv und dessen Prinzipien der Architektur, allem voran dessen Lehre von der Proportion. Antoine arbeitete sogar als Mauer, ehe er 1760 in der Lage war, ein Bauunternehmen zu erwerben. Ab etwa 1760 trat er durch Architekturvorhaben in Erscheinung. Einen Durchbruch errang er 1765, als er beim Projekt des Pariser Hôtel de la Monnaie arrivierten Architekten wie Étienne-Louis Boullée und François Dominique Barreau de Chefdeville (1725–1765) vorgezogen wurde. Sein Entwurf für das in den Jahren 1771 bis 1775 entstandene, vielbewunderte Bauwerk des Frühklassizismus und das Hôtel de Fleury, das er 1772 fertiggestellt hatte, eröffneten ihm 1776 den Eintritt in die angesehene Académie royale d’architecture.
Als 1776 das Palais de Justice einem Brand zum Opfer gefallen war, mischte er sich mit dem Vorschlag, bestimmte Teile zu rekonstruieren, erfolgreich in die Debatte um dessen Wiederaufbau ein. Von 1775 bis 1777 projektierte er das Hôtel de Jaucourt. Anschließend unternahm er mit seinem Freund, dem Architekten und Stadtplaner Charles de Wailly, eine Grand Tour nach Italien. Er bereiste Turin, Stresa, Cremona, Vincenca, Verona, Venedig, Rimini, Loreto und Spoleto, ehe sie am 9. Januar 1778 Rom erreichten. Antoine verfasste einen Reisebericht, der nicht nur auf wichtige Gebäude, sondern auch auf viele Skulpturen und Gemälde hinweist.
Während der Terrorherrschaft, im Dezember 1793, verbrachte Antoine eine Weile in einem Pariser Gefängnis, weil er beschuldigt worden war, am Hôtel des Monnaies einen Tunnel zur Seine gegraben zu haben, um englischen Agenten den Raub französischer Goldreserven zu ermöglichen. Freigesprochen von diesen erfundenen Anschuldigungen, zog er sich auf sein Anwesen in Petit Cîteaux in der Touraine zurück.
Andreas Bräm: Jacques-Denis Antoine – Reisetagebuch. Ein französischer Architekt auf Italienreise (1777–1778). Kritische Edition des Reisetagebuches mit einer Einführung ins architektonische Werk. Peter Lang, Bern 2004, ISBN 3-03910-402-0 (google.it).
Antoine, Jacques-Denis. In: Michel Gallet: Les architectes parisiens du XVIIIe siècle. Dictionnaire biographique et critique. Editions Mengès, Paris 1995, S. 494.
