Antonio commence sa carrière à l'âge de dix ans quand il prend part à sa première course de Kart en février 1990. Il remporte de nombreuses victoires dans son pays et dans les championnats locaux et finit par atteindre en 1995 le titre de champion brésilien de karting. L'année suivante, il prend la décision de courir en Barber Dodge Series aux États-Unis, puis en 1997, il part en Grande-Bretagne disputer le championnat de Formule Vauxhall Junior. Pour sa première saison, c'est déjà une bonne réussite, puisqu'il termine l'année vice-champion et champion d'hiver, avant de remporter le titre en 1998, année où il passe également en Formule Renault et termine champion d'hiver. En 1999, il s'adjuge le titre britannique avec onze succès en course, tandis qu'en championnat européen, il remporte quatre courses mais termine deuxième derrière Gianmaria Bruni. Il passe au championnat britannique de F3, gagne cinq courses et s'empare du titre, ce qui lui vaut d'effectuer des tests avec Benetton.

Il va ensuite signer un contrat avec l'écurie de Formule 1 Williams, ce qui lui permet d'accéder au championnat de Formule 3000 avec l'équipe Petrobras Junior. Bien que la voiture ne soit pas des plus compétitives, il réussit cependant à décrocher la pole position sur le circuit de Monza et à remporter une victoire à Hockenheim. Son pilotage impressionne son patron, sir Frank Williams, et le voilà pilote-essayeur de l'équipe britannique en 2002, tout en restant en F3000. Sa seconde saison dans cette discipline est moins bonne que la première. Il ne gagne pas et ne monte qu'une seule fois sur le podium. Il finit huitième du championnat.

A la fin de la saison, Antonio passe chez Jaguar et obtient le poste de pilote titulaire en F1 pour la saison 2003, une expérience qui s'avère très décevante. Le jeune pilote brésilien est en effet rapidement dominé par son équipier Mark Webber, et ne se montre pas très fiable. Il termine tout de même à la porte des points en Autriche mais dans le même temps, son équipier accumule les places d'honneurs. Mais, décidément très décevant et sans doute trop tendre pour la F1, il est congédié par ses employeurs à l'issue du Grand Prix de Grande-Bretagne.

Il revient alors pour 2004 chez Williams de nouveau au poste de pilote-essayeur, mais après l'accident de Ralf Schumacher au Grand Prix des États-Unis, c'est lui qui va assurer l'intérim pendant quatre courses. Il finit septième en Allemagne puis en Hongrie, ce qui lui permet de rentrer enfin dans les points, il réalise une magnifique course en Belgique, menant la course pendant un tour et tient le premier podium de sa carrière, avant que sa boite de vitesse ne lui fasse défaut. Il ramène encore deux points de Monza avant de rendre son baquet à Schumacher avant le Grand Prix de Chine.

Pour 2005, avec le départ de Ralf Schumacher de l'équipe, Williams cherche un second pilote à associer à Mark Webber. Antonio est candidat à ce volant en concurrence avec Nick Heidfeld. Les deux hommes s'affrontent lors d'une séance d'essais privés, et c'est l'Allemand qui en sort vainqueur. Antonio reste toutefois pilote-essayeur.

En août 2005, lorsque Heidfeld est victime d'un accident, Antonio le remplace au pied levé pour les cinq dernières courses de la saison, et obtient ainsi une nouvelle chance de convaincre ses employeurs de lui donner un volant pour 2006. Il commence bien son second intérim avec une septième place à Monza, mais il est ensuite franchement mauvais : accrochage avec Montoya à Spa, collision au départ avec Coulthard et son propre équipier Webber au Brésil, tête-à-queue stupide au Japon. Antonio a définitivement laissé passer sa chance, sa collaboration avec Williams s'arrête là.

En 2006, Pizzonia tente de se relancer en ChampCar. Il obtient le volant d'une voiture de l'écurie Rocketsports, mais est limogé à l'issue de la première épreuve à Long Beach ! Il récupère cependant ce volant pour les dernières courses de la saison, sans grand succès. Il ne fait pas mieux que dixième à Surfer's Paradise. Pour la saison 2007, il retourne en Europe et signe un contrat en GP2 avec l'écurie de Giancarlo Fisichella, FMS International. Après cinq sorties médiocres au cours desquelles il ne marque qu'un petit point, il est renvoyé et remplacé par Adam Carroll.

En 2008 , il intègre le championnat Superleague Formula. Il se classe neuvième avec un podium. Les deux années suivantes, il monte parfois sur le podium, il termine le championnat deux fois à la huitième place. En 2012, il court en Auto GP et remporte deux des quatre courses auquel il participe. On le voit ensuite en endurance avec une victoire en LMP2 à Silverstone. En 2015, il remporte le championnat Auto GP, qui ne comportait que quatre manches, avec deux victoires et quatre podiums

Depuis, il on le voit presque seulement dans le championnat brésilien de Stock Car auquel il participe depuis 2007 sans grand résultat.