Fils de pilote, Niccoló Antonelli faits ses débuts en 2004, dans des compétitions régionales et nationales. L’Italien intègre ensuite le Championnat d'Europe, puis les Championnats de Catalogne et de Méditerranée, avant d’atteindre le mondial Moto3™ en 2012. Le transalpin y disputera ses trois premières saisons au sein du team Gresini, mais ne parviendra à concrétiser faute de régularité. En 2015, lequel migre alors chez Ongetta-Rivacold. Ce dernier y connait une entrée en matière compliquée, mais finit par décrocher deux succès à Brno et au Japon, auxquels s’ajoutent deux autres apparitions parmi les trois premiers. Cinquième de l’édition 2015, Niccoló Antonelli repart sur les chapeaux de roues en 2016 avec un succès au Qatar, son unique podium de l’année. Dans la foulée, il rejoint le team Red Bull KTM Ajo, toutefois les résultats ne sont pas au rendez-vous. Absent sur deux manches pour cause de blessure, le natif de Cattolica accuse également six abandons. Il se classe 18e au général avec une deuxième place comme seul Top 3. En 2018, il signe finalement chez SIC58 Squadra Corse, qu’il hissera à sept reprises dans le Top 10. Au final, il progresse très légèrement dans la hiérarchie, avant un réel déclic au cours de la campagne 2019, pourtant marquée par trois forfaits. Victorieux à Jerez, il y termine en effet septième. Le team lui renouvelle sa confiance, mais dès mars il se déboîte l’épaule. Opéré en urgence, il manque ainsi une épreuve et au retour de la compétition, il ne sera jamais vraiment dans le coup. C’est une fois recruté par Reale Avintia Moto3 en 2021 qu’il se relancera, comme en attestent ces quatre podiums. Dommage qu’une fracture au poignet l’ait privé de deux rendez-vous, car sa chute du Mans demeurait son seul faux-pas. Sixième, il s’attaque désormais au Moto2™, accompagné du VR46 Racing Team.