Второй сын герцога Фердинанда Альбрехта Брауншвейг-Вольфенбюттельского (до 1735 года Брауншвейг-Бевернского) и Антуанетты Амалии Брауншвейг-Вольфенбюттельской, брат знаменитого прусского полководца герцога Фердинанда Брауншвейгского и Юлианы Марии, второй жены датского короля Фредерика V (в 1772—1784 фактической правительницы страны).
Когда императрица Анна Иоанновна искала жениха для племянницы своей, принцессы Анны Мекленбург-Шверинской, то под влиянием Австрийского двора она остановила свой выбор на Антоне. Последний прибыл в Россию в начале июня 1733 года совсем ещё мальчиком. Здесь его стали воспитывать вместе с Анной в надежде, что между молодыми людьми установится прочная привязанность, которая со временем перейдет в более нужное чувство. Надежды эти не оправдались. Анна с первого же взгляда невзлюбила своего суженого, юношу невысокого роста, женоподобного, заику, очень ограниченного, но скромного, с характером мягким и податливым. Тем не менее, брак этот состоялся 14 июля 1739 года; 23 августа 1740 года родился у них первенец Иван. Вскоре императрица смертельно заболела и по настоянию Бирона и канцлера Бестужева объявила Ивана Антоновича наследником престола, а Бирона — регентом.
Принц Антон Ульрих был очень недоволен этим завещанием; ему хотелось переменить постановление о регентстве, но недоставало смелости и уменья воспользоваться благоприятной минутой. Он обращался за советом к Остерману, Кейзерлингу, но те сдерживали его, хотя и не порицали. В то же время, но помимо всякого участия принца Антона Ульриха, происходило брожение в гвардии, направленное против Бирона. Заговор был открыт, главари движения — кабинет-секретарь Яковлев, офицер Пустошкин и товарищи их — были наказаны кнутом, а принц Антон Ульрих, который тоже оказался скомпрометированным, был приглашен в чрезвычайное собрание кабинет-министров, сенаторов и генералитета. Здесь 23 октября, в тот самый день, когда был дан указ о ежегодной выдаче родителям юного императора 200 000 рублей, ему было строго внушено, что при малейшей попытке его к ниспровержению установленного строя с ним поступят, как со всяким другим подданным императора. Вслед за тем его заставили подписать просьбу об увольнении от занимаемых им должностей: подполковника Семёновского и полковника Кирасирского Брауншвейгского полков, и он был совершенно устранён от дел правления.
Бирон обращался с родителями императора пренебрежительно, открыто оскорблял их и грозился даже отобрать юного императора у матери и затем выслать Антона Ульриха с супругой из России. Слух об этом заставил Анну Леопольдовну решиться на отчаянный шаг. Она обратилась за помощью к фельдмаршалу Миниху, и последний 8 ноября положил быстрый конец господству Бирона. Все это, по-видимому, происходило помимо всякого участия и ведома принца Антона Ульриха. Регентство перешло к Анне Леопольдовне, Антон Ульрих же 11 ноября провозглашен был генералиссимусом российских войск.
Но правление Анны Леопольдовны продолжалось недолго. Дворцовый переворот, произведённый в ночь с 5 на 6 декабря 1741 года, возвёл на престол Елизавету Петровну. Последняя сначала ограничилась было решением выслать Брауншвейгскую фамилию из пределов России; семья Антона находилась уже по дороге за границу, но неожиданно была арестована, заключена в Рижскую крепость, оттуда переведена в Динамюнде и Раненбург и, наконец, 9 ноября 1744 года заточена в Холмогорах Архангельской губернии. Кроме первенца Ивана, убитого в 1764 году в Шлиссельбургской крепости, у Анны было ещё четверо детей: две дочери — Екатерина и Елизавета и два сына — Петр и Алексей. Первая из них родилась ещё до ссылки 26 июля 1741 года, вторая в Динамюнде, а принцы Петр и Алексей родились уже в Холмогорах. Рождение последнего из них стоило Анне жизни (28 февраля 1746 года).
Заключение семьи Антона Ульриха в Холмогорах было полно лишений; нередко она нуждалась в самом необходимом. Для наблюдения за ними был определен штаб-офицер с командой; прислуживали им несколько мужчин и женщин из простого звания. Всякое сообщение с посторонними было им строго воспрещено; один лишь архангельский губернатор имел повеление навещать их по временам, чтобы осведомляться об их состоянии. Воспитанные вместе с простолюдинами, дети Антона Ульриха не знали другого языка, кроме русского. На содержание Брауншвейгской фамилии, на жалованье приставленным к ним людям, также на ремонт дома, который они занимали, не было назначено определённой суммы; но отпускалось из архангельского казначейства от 10 до 15 тысяч рублей ежегодно.
Вслед за восшествием на престол Екатерины II Антону Ульриху было предложено удалиться из России, оставив лишь детей в Холмогорах; но он неволю с детьми предпочёл одинокой свободе. Потеряв зрение, он умер 4 мая 1774 года. Место погребения его неизвестно. Архивные документы свидетельствуют, что тело его в ночь с 5-го на 6-е было вынесено в гробе, обитом чёрным сукном с серебряным позументом, и тихо похоронено на ближайшем кладбище внутри ограды дома, где он содержался в присутствии одних только караульных солдат, которым строжайше воспрещено было рассказывать о месте погребения.
В 2007 году в СМИ появилась информация об обнаружении в Холмогорах останков, которые, предположительно, могли принадлежать Антону Ульриху.
Наконец, в 1780 году по ходатайству датской королевы Юлианы-Марии, сестры Антона Ульриха, Екатерина II решилась облегчить участь детей его, выслав их в датские владения, где им был назначен для жительства городок Хорсенс в Ютландии. В ночь на 27 июня 1780 года они были перевезены в Новодвинскую крепость, а в ночь 30 июля на фрегате «Полярная звезда» принцы и принцессы отплыли от берегов России, щедро снабженные одеждой, посудой и прочими необходимыми вещами.
Для содержания их в Хорсенсе Екатерина II назначила каждому из них пожизненную пенсию в 8000 рублей, а всем вместе — 32 000 рублей. Эта сумма выдавалась от русского двора полностью по 1807 год, то есть до кончины последней представительницы этого семейства.
Жена: с 14 (25) июля 1739, Санкт-Петербург, Анна Леопольдовна (7 (18) декабря 1718 — 7 (18) марта 1746), императрица в 1740—1741, дочь Карла Леопольда, герцога Мекленбург-Шверинского, и Екатерины Иоанновны Романовой