Luca Antonini startet karrieren i AC Milans ungdomsstystem. Han ble lånt ut til Calcio Padova, AC Prato (Serie C2) og AC Ancona (Serie B) for å få mer erfaring. Sommeren 2003 gikk AC Sampdoria inn i et deleierskap med Milan om spilleren. Han fikk sin Serie A debut mot Perugia Calcio 13. desember 2003. Han ble sendt videre på lån i flere forskjellige klubber mellom 2004-2007, før Empoli FC kjøpte opp Sampdorias del i 2007. 8. juni 2008 ble det klart at Milan hadde kjøpt opp hele Empolis del av Antonini. Antonini ble tildelt rollen som Serginhos erstatter, etter at han la opp ved 2007/08 sesongens slutt.
Luca Antonini har spilt for aldersbestemte landslag for Italia.