Antonio Pizzonia commence sa carrière à l'âge de dix ans, en février 1990, lorsqu'il participe à sa première course de kart. Il remporte de nombreuses victoires dans son pays et dans les championnats locaux, puis devient champion brésilien de karting en 1995.

L'année suivante, il décide de courir dans le championnat Barber Dodge Series aux Etats-Unis. En 1997, il part en Grande-Bretagne pour disputer le championnat de Formule Vauxhall Junior. Pour sa première saison, c'est déjà une réussite, puisqu'il termine vice-champion et champion d'hiver. En 1998, il remporte le titre et passe en Formule Renault, où il devient également champion d'hiver. En 1999, il remporte le titre britannique avec onze victoires, tandis qu'il termine deuxième du championnat européen, derrière Gianmaria Bruni, avec quatre victoires. Il passe ensuite au championnat britannique de Formule 3, gagne cinq courses et s'empare du titre, ce qui lui vaut d'effectuer des essais avec l'écurie Benetton.

Il signe ensuite 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 parvient 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 il devient 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 se classe huitième du championnat.

En F1 avec Jaguar

A la fin de la saison, il rejoint l'écurie Jaguar et devient pilote titulaire pour la saison 2003, une expérience qui s'avère très décevante. Le jeune pilote brésilien est en effet rapidement dominé par son coéquipier 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 coéquipier accumule les places d'honneur. 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.

Williams

En 2004, il revient chez Williams, mais cette fois au poste de pilote-essayeur. Après l'accident de Ralf Schumacher au Grand Prix des Etats-Unis, il assure l'intérim pendant quatre courses. Il termine septième en Allemagne, puis en Hongrie, ce qui lui permet de marquer enfin des points. Il réalise une magnifique course en Belgique, menant la course pendant un tour, et monte sur son premier podium, avant que sa boîte de vitesse ne le trahisse. Il marque encore deux points à Monza, puis rend son baquet à Schumacher avant le Grand Prix de Chine.

En 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 l'emporte. Il reste toutefois pilote-essayeur. En août, lorsque Heidfeld est victime d'un accident, il 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 se montre ensuite franchement mauvais : accrochage avec Juan Pablo Montoya à Spa, collision au départ avec David Coulthard et son propre coéquipier Mark Webber au Brésil, tête-à-queue stupide au Japon. Il a définitivement laissé passer sa chance et sa collaboration avec Williams s'arrête là.

L'après F1

En 2006, il tente de relancer sa carrière en ChampCar. Il obtient un volant dans l'écurie Rocketsports, mais il est limogé à l'issue de la première épreuve à Long Beach ! Il récupère toutefois ce volant pour les dernières courses de la saison, sans grand succès. Il ne fait pas mieux que dixième à Surfers 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 seul 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 et termine le championnat à la huitième place à deux reprises. En 2012, il participe au championnat Auto GP et remporte deux des quatre courses auxquelles il prend part. 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.

On ne le voit ensuite qu'au Brésil, dans le championnat de Stock Car, où il participe sans grand succès jusqu'en 2018.