Франческо Антониоли — воспитанник клуба «Монца». После двух сезонов в основном составе «Монцы», Антониоли был куплен «Миланом». «Россонери» первые сезоны одалживали голкипера на правах аренды, сначала в Чезену, а затем в «Модену». Затем он два сезона провёл в «Милане», в составе которого 18 апреля 1992 года дебютировал в серии А. Вскоре Антониоли потерял место в составе «Милана», уступив его Себастьяно Росси и был вынужден искать новую команду.
Антониоли был арендован «Пизой», с которой вылетел в серию С1. Затем выступал в серии А за «Реджану» и «Болонью», в которой выступал 4 сезона. Летом 1999 года Антониоли был куплен «Ромой», с которой выиграл чемпионат Италии в 2001 году. Летом 2003 года Антониоли, став свободным агентом, перешёл в «Сампдорию», откуда, в июне 2006 вернулся в «Болонью», подписав двухлетний контракт. За два сезона в «Болонье» Антониоли не пропустил ни одной игры, чем помог клубу выйти в серию А, после чего подписал контракт ещё на сезон. 7 июля 2009 года Антониоли подписал двухлетний контракт с «Чезеной», в которой он завершит свою карьеру.10 ноября 2010 года провёл свой 600-й матч в чемпионатах Италии.