Antonelli fue profesora de educación física hasta que en 1969 un productor de fotonovelas la descubrió e inició su andadura en el mundo del cine. Después de varios roles pequeños como actriz, Salvatore Samperi le dio en 1973 el que sería su gran papel: Angela, una asistenta doméstica que atraía irrefrenablemente a su empleador en la Sicilia de los años cincuenta.
Malicia es el título de la película que la catapultó a la gloria. En ella, Antonelli daba vida a una mujer provocativa, imagen que la convirtió en un icono sexual para la Italia de la época. Más títulos vendrían después, como Sessomatto, de Dino Risi; El inocente, de Luchino Visconti; y Pasión de amor, de Ettore Scola.
Pareja sentimental del actor Jean-Paul Belmondo entre 1972 y 1980, la actriz residió algunos años en París. Su carrera terminó en los años ochenta, época en la que se sometió a numerosas operaciones de cirugía estética y cayó en una depresión.
Algunos años después, a principios de los años noventa, Antonelli fue arrestada por posesión de cocaína. Condenada a tres años y medio de prisión por tenencia de estupefacientes, fue absuelta tras nueve años de proceso judicial. En el año 2000, un tribunal romano resolvió que la droga era únicamente para uso personal.
En el año 1996, Antonelli fue internada en la sección psiquiátrica de un centro sanitario de Civitavecchia.