Антониади родился в Константинополе, с 18 лет занимался астрономическими наблюдениями, в 1893 стал сотрудником обсерватории Фламмариона в Жювизи. Во время противостояния 1909 года провёл серию наблюдений Марса на 83-сантиметровом рефракторе в Медонском филиале Парижской обсерватории, составил самые детальные карты поверхности Марса того времени. После этого, вслед за Эдвардом Маундером, пришёл к выводу, что марсианские каналы являются оптической иллюзией. В 1924 году обнаружил признаки вулканической деятельности на Марсе. По итогам своих многолетних наблюдений и изучения архивных данных выпустил монографию «Планета Марс» (1930).
Антониади известен также своей шкалой видимости, которая характеризует условия для наблюдения звездного неба цифрой от I до V в зависимости от состояния атмосферы и широко используется астрономами-любителями. В его честь названы объекты на Луне, Марсе и Меркурии.
В 1904 году Антониади проводил археологические раскопки в Софийском соборе в Константинополе, по итогам которых выпустил книгу в 1907. Также занимался историей астрономии в Древней Греции и Египте.
