Dal 2018 Antonelli entra nella scuderia Kart Republic di Dino Chiesa, che in passato ha lavorato con Lewis Hamilton e Nico Rosberg al tempo dei kart.[8] In quell'anno vince il WSK Champions Cup - 60 Mini e arriva secondo nel Campionato italiano di kart.
Nel 2020 passa alla categoria OK, vince il WSK Euro Series e diventa il Campione europeo nella sua categoria, vincendo due delle quattro gare della serie finale[1][11]. Sempre nel 2020 partecipa al campionato mondiale FIA di Kart dove è coinvolto in un incidente, procurandosi delle fratture[12]. Guarito dall'infortunio, Antonelli torna alla vittoria nel Campionato Europeo CIK-FIA[13]. Al campionato del mondo CIK-FIA non conferma le stesse prestazioni, chiudendo solo quindicesimo.[14]
Nel 2023, oltre agli impegni in monoposto, Andrea fonda insieme a suo padre la AKM Motorsport by Kart Republic, una squadra per lanciare in kart giovani promesse. Il pilota italiano svolge anche i ruoli di allenatore e di sviluppatore dei telai[15].
Formula 4
Antonelli durante la sua prima gara in monoposto al Red Bull Ring (2021)
Nel marzo del 2021 partecipa ai suoi primi test con una vettura di Formula 4 con la scuderia AKM Motorsport sul Red Bull Ring[16]. Compiuti quindici anni esordisce dal quinto GP della Formula 4 italiana con la squadra Prema[17][18]. Nelle prime gare di Spielberg e del Mugello finisce quattro volte tra i primi dieci, mentre sul circuito di Monza conquista i suoi primi podi in monoposto, arrivando secondo in gara uno e terzo in gara due e in gara tre. Pur avendone disputato solo 9 sulle 21 totali riesce a chiudere decimo nella classifica generale e quarto nella classifica riservata agli esordienti. Lo stesso anno Antonelli vince il 'Supercorso Federale' dell'ACI[19].
Antonelli viene confermato dalla Prema per il 2022, partecipando ad alcune gare del Formula 4 degli Emirati Arabi Uniti[20], alla Formula 4 italiana[21] e quella tedesca[22]. L'italiano si dimostra molto veloce, vincendo ben 24 gare su 43 disputate, due nella serie degli Emirati Arabi Uniti, tredici nella serie italiana e nove in quella tedesca. Nella serie degli Emirati chiude ottavo con solo due gare su cinque disputate, mentre vince gli altri due campionati[3][4].
A fine ottobre Antonelli rappresenta l'Italia nel FIA Motorsport Games nella categoria Formula 4[23], conquistando la medaglia d'oro dopo aver dominato tutte le sessioni[24], nonostante si fosse rotto il polso sinistro dopo un contatto durante le prove[25]. Antonelli con ventisei vittorie diventa il secondo pilota di maggior successo della storia della FIA Formula 4 dietro a Richard Verschoor[26].
Nei primi mesi del 2023 Antonelli scende in pista nella Formula Regional Middle East guidando per la scuderia Mumbai Falcons, supportato sempre dalla Prema[27]. Il pilota italiano dimostra di essere subito competitivo, conquistando la testa della classifica già dopo la prima gara. Ottiene poi due vittorie sul circuito del Kuwait,[28][29], e successivamente ottiene la sua terza vittoria nell'Autodromo di Dubai.[30] Nel resto della serie conserva il suo vantaggio su Taylor Barnard, secondo in classifica, laureandosi campione con una gara d'anticipo e conquistando così i punti necessari per la Superlicenza FIA[5][31].
Per il resto dell'anno si iscrive alla Formula Regional europea con la scuderia Prema[32]. Nelle prime quattro corse della stagione riesce a raggiungere il podio in tre occasioni, mentre la sua prima vittoria arriva nella seconda corsa di Spa-Francorchamps davanti a Tim Tramnitz, in una gara funestata dalla morte di Dilano Van'T Hoff[33]. Dopo essersi sbloccato nelle due corse successive, conquista altre due vittorie, al Mugello e al Paul Ricard[34][35], e grazie anche ad altri due podi sale in testa al campionato. A Monza taglia il traguardo per primo in gara 1, ma viene poi penalizzato per un errato utilizzo del Push to Pass, uscendo fuori dalla zona punti[36]; si rifà in gara 2, conquistando la sua quarta vittoria stagionale[37]. Con la vittoria in gara due di Zandvoort il pilota italiano si laurea campione con una gara d'anticipo dopo una corsa capolavoro[38]: partito ottavo sotto una pioggia battente, l'italiano in tre giri si porta in testa alla corsa, vincendo con un margine di più di 10 secondi nonostante le neutralizzazioni dovute al maltempo e ad incidenti dietro di lui. Antonelli, così facendo, si aggiudica il suo quarto titolo in altrettante categorie disputate[39].
Gran Turismo
Nel 2023 in contemporanea alla Formula Regional europea, Antonelli prende parte ad alcune gare del Campionato Italiano Gran Turismo, nella serie Sprint con la scuderia di famiglia AKM Motorsport[40]. Il pilota italiano scende in pista a Misano con la Mercedes AMG GT3, correndo da solo ha una penalizzazione crono di cinque secondi in gara, tuttavia ottiene la pole position, il giro veloce e la vittoria in gara uno[41][42]. Nella seconda gara, pur avendo una penalizzazione crono di venti secondi, riesce a raggiungere il podio all'ultima curva, chiudendo terzo, e ottenere il giro veloce[43].
Formula 2
Andrea Kimi Antonelli nel 2024 durante la stagione di F2
Nell'ottobre del 2023 viene annunciato che Antonelli l'anno seguente correrà in Formula 2 sempre con la Prema, saltando di fatto la Formula 3[44][45]. La stagione si rivela più difficile del previsto e finisce al sesto posto, a oltre cento punti di ritardo dal vincitore Bortoleto.[7] Nelle prime quattordici gare non va mai a podio, cogliendo due quarti posti a Imola[46] e a Montecarlo[47] come migliori risultati; la prima vittoria arriva nella gara sprint di Silverstone: partito dalla pole grazie all'inversione di griglia, domina la gara, disputata sotto la pioggia[48]. Nella Feature Race del giorno successivo si deve però ritirare per un contatto. La sua seconda vittoria arriva nella Feature Race all'Hungaroring: partito settimo, riesce a recuperare grazie ad un ottimo stint con le gomme dure, chiudendo con ampio margine nel finale[49]. Il suo terzo podio nella serie arriva nella Feature Race di Baku, con un terzo posto[50]. Chiude la stagione al sesto posto in classifica, terzo tra i Rookie[51].
Formula 1
Nel 2019 Antonelli diventa membro del Mercedes Junior Team[8]. Già nel febbraio 2024, dopo l'annuncio del passaggio di Lewis Hamilton dalla Mercedes alla Ferrari[52], l'italiano viene indiziato come possibile suo sostituto a partire dalla stagione 2025 di F1. Le voci vengono alimentate dallo stesso Toto Wolff, che a più riprese nel corso dell'anno indica Antonelli come candidato favorito per il sedile[53]. Nell'aprile del 2024 si dà il via ad un programma di prove ad hoc con la scuderia tedesca[54]. La prima esperienza avviene a Spielberg con la Mercedes W12[55], dove il pilota italiano compie due giorni di prove: il primo giorno ha corso in condizioni di bagnato estremo, mentre nel secondo è riuscito a montare pneumatici morbidi[56]. La seconda prova si tiene sul Circuito di Imola, questa volta con la Mercedes W13[57][58]. A fine luglio, dopo il Gran Premio del Belgio, effettua una terza sessione di prove, sempre al volante della W13[59].
Compiuti diciott'anni, Antonelli esordisce in Formula 1 durante le prove libere del Gran Premio d'Italia guidando la Mercedes-AMG F1 W15 E Performance.[60] La sua sessione dura pochi minuti, a causa di un incidente alla Curva Alboreto.[61] Proprio durante il Gran Premio a Monza, arriva l'ufficialità sul suo ingaggio nel 2025 per una sola stagione in Mercedes al fianco di George Russell[62][63]. Nel Gran Premio di Città del Messico ha la sua seconda possibilità di scendere in pista durante il primo turno delle prove libere[64], dove chiude dodicesimo[65].
^Nel round del Red Bull Ring, a causa dell'alto numero di partecipanti iscritti, sono state disputate quattro gare invece di tre: i piloti sono stati divisi in tre gruppi e hanno corso due delle prime tre gare, in cui si sfidavano due gruppi alla volta. All'ultima gara accedevano i migliori delle tre precedenti. Antonelli ha corso in Gara 2, in Gara 3 e in Gara 4
^Gara 3 è stata sospesa a causa della forte pioggia
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