Après avoir étudié au Conservatoire Supérieur d'Art Dramatique de Genève de 1981 à 1984, puis au Conservatoire National d'Art Dramatique de Paris de 1984 à 1986, Antoine Basler débute sa carrière d'acteur sous la direction d'Anne-Marie Miéville dans Le Livre de Marie en 1984 et de Jean-Bernard Ménoud dans Jour et nuit en 1985.

A partir du début des années 90, il enchaîne les tournages à un rythme très soutenu et impose son physique de jeune premier dans plusieurs longs métrages d'Olivier Assayas : Paris s'éveille (1991), Une nouvelle vie (1993) et Irma Vep (1996). Antoine Basler figure également au générique de quelques films d'auteur comme Emmène-moi (1994) de Michel Spinosa ou encore Les Rendez-vous de Paris (1995) d'Eric Rohmer. Il lui arrive toutefois d'incarner des personnages plus décalés comme pour Dobermann (1997) de Jan Kounen, Serial lover (1998) de James Huth, Les Grandes bouches (1999) et Blanche (2002) de Bernie Bonvoisin.

Par ailleurs, Antoine Basler collabore à trois reprises avec le réalisateur-écrivain Vincent Ravalec en apparaissant dans ses courts métrages Never twice (1995), Le Masseur (1997) et La Transgression sur l'autoroute, après les carnavals de printemps (2000).