Родился 29 сентября 1912 в Ферраре, в 1935 окончил году Высшую школу экономики и коммерции Болонского университета, работал в банке. В конце 30-х — начале 40-х годов был кинокритиком — сначала в региональной газете, затем в столичной прессе, причем как в официальном фашистском журнале «Чинема», так и в подпольно издававшейся во время войны газете «Италия либера».

В эти же годы решил заняться кинорежиссурой, впервые заглянув в объектив кинокамеры — по собственным словам — в сумасшедшем доме, где собирался снимать любительский фильм о душевнобольных, который так и не сделал. В 1940 посещал Экспериментальный киноцентр в Риме, где в это время рождались идеи неореализма, и откуда вышли многие режиссеры этого течения в киноискусстве. Практическую работу в кино начал ассистентом режиссера на фильме Марселя Карне Вечерние посетители (1942). Сотрудничал с большинством ведущих итальянских режиссеров 40-50-х годов, участвуя в написании сценариев фильмов Роберто Росселлини Пилот возвращается (1942), Джузеппе Де Сантиса Трагическая охота (1947), Лукино Висконти Процесс М.Тарновской (нереализованный сценарий) и Федерико Феллини Белый шейх (1952).

Первая самостоятельная работа — съемки в 1943 году документального фильма Люди с По о бедняках, живущих в долине этой реки, что было новой для итальянского кино темой и предвосхищало круг интересов возникшего двумя годами позже неореализма. Однако большая часть материала картины была утрачена в годы войны, и смонтированный из оставшихся фрагментов в 1947 году фильм уже не произвел сильного впечатления на зрителей и профессионалов; тем не менее, Антониони впоследствии говорил: «мысль, что я, так сказать, в одиночку „изобрел“ неореализм, доставляет мне внутреннее удовлетворение». После войны он снял еще несколько документальных фильмов, также следовавших в русле неореализма.

Ранние игровые фильмы Антониони — Хроника одной любви (1950), Побежденные (1952), Дама без камелий (1953), Крик (1957) и другие — были охарактеризованы критикой как «внутренний неореализм», поскольку в них центр внимания был смещен с привычных для неореалистических картин особенностей быта и социальных отношений к внутреннему миру персонажей. В этих фильмах уже проявились основные черты режиссерского почерка Антониони — замедленный темп, склонность к длинным планам, внимание к деталям материальной среды, — которые в дальнейших работах режиссера оформились в качественно новый оригинальный авторский стиль.

Следующие три фильма, которые обычно объединяют в т.н. трилогию отчуждения (некоммуникабельности) — Приключение (1960), Ночь (1961) и Затмение (1962) — посвящены людям, утратившим способность к близким человеческим отношениям и безуспешно ищущим выход из одиночества. Так впервые в киноискусстве (чуть раньше тематически близких фильмов Ингмара Бергмана Молчание (1962) и Персона (1966)) была раскрыта проблема некоммуникабельности в современном обществе. Состояние одиночества персонажей и общая атмосфера отчужденности в этих фильмах создавались в значительной степени с помощью передаваемого на экране состояния вещного мира: долгие медленные кадры, сосредоточенные на отдельных предметах, и общие планы, на которых почти ничего не происходит, начинали жить своей собственной жизнью, воплощавшей внутренний мир персонажей. Этот новый способ раскрытия человеческой психологии средствами кинематографа стал, по-видимому, наиболее значительным открытием Антониони в области киноязыка и оказал большое влияние на дальнейшее развитие мирового кинематографа (сильнее всего — на фильмы Миклоша Янчо и Андрея Тарковского).

Следующий фильм режиссера — Красная пустыня (1964, главный приз в Венеции) — тематически примыкает к трем предыдущим (вследствие чего иногда говорят о «тетралогии отчуждения»), но изобразительно существенно от них отличается. В этой первой своей цветной картине Антониони выразил внутренний мир героини не столько с помощью форм и фактур внешнего мира, сколько с помощью его цветов, которые в некоторых сценах менялись в зависимости от состояния героини. Одновременно изображение в фильме наполнилось насыщенными цветными плоскостями, причудливо изогнутыми трубами и т.п. Цветные ядовитые дымы и горы шлаков дали повод многим критикам расценить фильм как обличающий пороки невнимательной к экологии цивилизации. Но в действительности режиссер, о котором говорили, что он стремился показать красоту этого мира, где даже заводы могут быть прекрасными, просто констатировал новый тип эстетики, принесенный современным промышленно-бытовым дизайном, что визуально утвердило мысль о приходе постиндустриальной цивилизации и культуры, качественно отличающейся от всей предшествовавшей. Этот аспект фильма прошел незамеченным, и только в последние два десятилетия, когда такая эстетика стала доминирующей в кинематографе и видеоклипах, стало понятно, что Антониони опять в одиночку угадал будущее киноискусства.

В следующих своих работах, каждую из которых он снимал в новой стране, Антониони отказался от изобразительных поисков и сосредоточился на различных сторонах утвердившегося мироустройства. В поставленном в Великобритании фильме Фотоувеличение (Блоу-ап, по рассказу Хулио Кортасара, 1966) фотограф, пытающийся разобраться в событиях, случайным свидетелем которых он стал, оказывается неспособным проникнуть в суть явлений, теряющихся за своей видимой оболочкой. В сделанной в США картине Забриски Пойнт (1969) герои фильма — бунтующие студенты — находятся в положении между различными частями общества, раскол которого воплощается, в том числе, и визуальным конфликтом между Долиной Смерти и современным городом. Уставший от жизни герой снятого в Африке и Испании фильма Профессия: репортер (1975) попытался жить жизнью другого человека, но оказался втянутым в проблемы, куда более серьезные, чем те, от которых он бежал. В 1972 Антониони снял полнометражный документальный фильм Китай, в конце 70-х собирался делать фильм в СССР, в Средней Азии.

В 1980 снял телефильм Тайна Обервальда (по пьесе Жана Кокто Двуглавый орел), где, пренебрегая сюжетом, сосредоточился на цветовых возможностях, которые давали новые на тот момент телевизионные технологии. В 1981 году поставил фильм Идентификация женщины, в 1990 - Экипаж, который он (несмотря на производственную простоту этого фильма) готовил несколько лет.

В 1996 вышел фильм За облаками, снятый совместно с Вимом Вендерсом, который считает себя последователем Антониони. Доля участия каждого из сорежиссеров в картине неизвестна, и существуют сомнения, что почти слепой 84-летний Антониони вообще имел сколько-нибудь реальное отношение к постановке фильма, но, тем не менее, фильм сделан в «фирменной» антониониевской эстетике и выглядит как ранняя картина режиссера, но только в цвете.

Микеланджело Антониони — соавтор сценариев всех своих фильмов (кроме новеллы Предисловие: кинопроба в фильме Три лица (1965)). Также известен как писатель и художник, в 1957-1958 поставил в римском театре «Элизео» пьесы Тайные скандалы (одним из авторов которой он был) и Я - камера.

Микеланджело Антониони скончался в возрасте 94 лет 30 июля 2007 года.