Petit-fils d'Albert Duléry, tragédien et pensionnaire de la Comédie-Française sous le nom de scène d'Albert Reyval, fils de Jacques Duléry, directeur d'exportation puis peintre et poète depuis sa retraite et d'Annick Mathieu1, Antoine a un frère aîné Michel, publicitaire2. Il se consacre au dessin jusqu’à l’âge de quinze ans3. Antoine, fan de Jean-Paul Belmondo, suit les traces de son aïeul et après une formation au Cours Florent sous la direction de Francis Huster, il débute en 1980 une carrière au théâtre, notamment dans la Compagnie Renaud-Barrault après avoir échoué plusieurs fois au concours d’entrée au Conservatoire. Sa carrière se prolonge également à la télévision et au cinéma4.

Antoine Duléry en compagnie de Pascale Pouzadoux au festival de Cannes 2016.

Au cinéma, il s'illustre dans plusieurs films de Claude Lelouch : Tout ça... pour ça !, Les Misérables, Hommes, femmes, mode d'emploi… mais aussi dans Jean-Philippe de Laurent Tuel ou encore les très populaires Camping et Camping 2 de Fabien Onteniente. Mais c'est à partir de 2006 grâce au rôle du commissaire Larosière dans les séries Petits meurtres en famille et Les Petits Meurtres d'Agatha Christie qu'il commence à devenir réellement populaire et que sa carrière décolle à la télévision comme au cinéma.

Le 27 juin 2017, il anime comme animateur star, aux cotés de la chanteuse Shy'm dans l'émission Les Copains D'Abord chantent l'été sur France 2.