Niccolò Antonelli siguió los pasos de su padre en el mundo de la competición. Su trayectoria deportiva comenzó en 2004 y su progreso fue constante, con victorias en pruebas regionales y nacionales. Logró el título de campeón de 125cc del Campeonato Italiano de Velocidad. Debutó en el Campeonato del Mundo en 2012 de la mano del equipo Gresini de Moto3™ y en 2013 continuó con la misma escuadra. En su tercera temporada estaba llamado a lograr grandes resultados, pero se le resistieron. En 2015 vivió una nueva etapa con Ongetta-Rivacold Honda y logró la victoria en Brno y Motegi, terminando 5º en la clasificación del Campeonato. En 2016 repitió equipo y mecánica logrando una victoria en Qatar. Un año después formó parte del equipo Red Bull KTM Ajo, una temporada irregular en la que firmó una segunda posición en Japón. En 2018 cambió al SIC58 Squadra Corse pero tampoco logró la regularidad ansiada. En 2019 repitió con la escuadra italiana y obtuvo la primera victoria del equipo en Jerez. En cambio, en 2020, su noveno año en la clase ligera y de nuevo con el SIC58 Squadra Corse, la temporada fue complicada y Antonelli no acabó de encontrar su línea. Para 2021, un cambio de escenario con el Reale Avintia Moto3 hizo que Antonelli pusiera fin a una espera de casi dos años para conseguir un podio en el GP de Doha. Otros tres podios permitieron al italiano conseguir el 6º puesto en la general y su objetivo será dejar huella en su salto a Moto2™ con el VR46 Racing Team en 2022.