Лука Антонини начал свою карьеру в «Милане». Когда он закончил молодёжную карьеру, его отправили в аренду. Сначала в «Падову», затем в «Прато» (Серия C) и «Анкону» (Серия B). 

Летом 2003, «Сампдория» купила половину прав на игрока.
Его дебют в Серии A состоялся 13 декабря в матче против «Перуджы».
Но в «Сампдории» он тоже не заиграл и в 2004 был отправлен в аренду в «Модену», пока «Милан» не выкупил половину его прав и продал в «Эмполи», где он впервые сыграл в Кубке УЕФА.
В настоящее время играет за «Милан» 

Специализированный интернет-портал Transfermarkt оценивает стоимость Антонини в € 4,8 млн. В общей сложности Антонини сыграл за "Милан" 110 матчей и забил один гол. С россонери он выиграл два трофея — чемпионат Италии — 2010/11 и Суперкубок Италии — 2011.