Naskiĝinte en bonhava familio Antonioni diplomiĝis kiel ekonomiisto en Bologna.
En 1939 li iris al Romo por dediĉi sin al la filmo. Li verkis por la filmĵurnalo Cinema (kiu sekvis la oficialan faŝistan ideologion, kaj kies editoro estis Vittorio Mussolini, filo de la Duce, sed post kelkaj monatoj li estis maldungita pro politikaj diferencoj. Iom poste li komencis studi filmteknikon en Cinecittà.
Ekde 1942 li komencis kunlabore kun aliaj filmistoj verki scenarojn kaj produkti filmojn. En 1943 li eklaboris pri sia unua mallonga filmo Gente del Po (La homoj de rivero Pado), rakonto pri malriĉaj fiŝistoj el la valo de Pado. La serio de longaj filmoj komencis en 1950 per Cronaca di un amore (Kroniko de iu amo).
En 1964 aperis lia plej konata filmo Blowup (Pligrandigo).
En 1985 li suferis apopleksion, post kio - spite al parta paralizo kaj senparoleblo - li tamen daŭrigis filmi, kvankam nur mallongajn filmojn. Pro sia vivoverko li ricevis la Oskaron en 1995.
La 30-an de julio2007 Michelangelo Antonioni mortis en Romo, aĝante 97. (Estis la saman tagon, ke mortis alia epoka filmisto - Ingmar Bergman