A peine sorti du cours Florent en 1980, Antoine Duléry entame ce qui deviendra une très prolifique carrière (104 films, téléfilms et séries en une trentaine d'années), débutant au cinéma dans Celles qu'on n'a pas eues (1980), sous la direction de Pascal Thomas. Ses prochains pas sont à la télévision (la série La vie des autres en 1981, le téléfilm comique Mersonne ne m'aime (TV) en 1982) et au théâtre (Le Cid en 1985, Richard de Gloucester en 1987 et Lorenzaccio en 1989).

Au cinéma, il enchaîne les petits rôles aux côtés de grands acteurs parmi lesquels Michel Piccoli (Blanc de Chine, 1988) et Michel Serrault (Comédie d'amour, 1989). Il se voit aussi assigner des premiers rôles, incarnant l'écrivain Baudelaire dans le film Les Fleurs du mal et jouant le protagoniste dans le téléfilm Odyssée bidon. En 1993, il donne la réplique à la troupe du Splendid dans La Vengeance d'une blonde, qui l'aidera à être plus connu du grand public. Cette même année, l'acteur rencontre Claude Lelouch qui lui propose de jouer dans Tout ça... pour ça ! (1993), Les Misérables (1995) et Hommes, femmes : mode d'emploi (1996).

Entre 1995 et 2000, il se consacre essentiellement à la télévision et aux courts-métrages, tournant dans plus de vingt productions différentes, notamment des comédies (comme en 1995, avec Jean-Marc Barr et Anémone, et La puce à l'oreille en 1997, aux côtés de Jean-Paul Belmondo). A partir de 2000, Antoine Duléry se fait plus présent au cinéma, figurant à l'affiche de quelques comédies françaises à succès comme Meilleur Espoir Feminin de Gérard Jugnot (2000) et Mariages ! (2004), dont il partage l'affiche avec Mathilde Seigner, Jean Dujardin et Miou-Miou. Entretemps, il s'essaie à la fonction de scénariste avec la comédie Toutes les filles sont folles (2003), réalisée par Pascale Pouzadoux.

En 2004, il retrouve Claude Lelouch qui l'invite à participer aux deux volets du Genre Humain (Les Parisiens, 2004 et Le Courage d'aimer, 2005). Cette même année, il intègre encore le casting de deux comédies populaires : Brice de Nice avec Jean Dujardin, puis Jean-Philippe de Laurent Tuel, dans lequel il joue le double adulé et comique de Johnny Hallyday dans un monde où le chanteur n'aurait pas existé... L'année suivante, il participe à une nouvelle comédie à grand succès, Camping de Fabien Onteniente, en plus de prêter sa voix pour la première fois à un film d'animation, dans la version française de Bee movie - drôle d'abeille. À la télévision, il s'affiche dans de nombreux téléfilms dont Petits meurtres en famille (2006) et L'Affaire Ben Barka (2007).

En 2008, il est à l'affiche de la comédie Les Dents de la nuit et d'un film musical, Magique !, où il joue aux côtés du chanteur Cali. Ensuite, le comédien effectue quelques retrouvailles : il rejoint la bande de Franck Dubosc pour Camping 2 (2010), et tourne encore une fois avec Pascale Pouzadoux dans La Croisière (2011). Après avoir prêté ses traits au personnage récurrent du commissaire Larosière dans la série télévisée Les Petits meurtres d'Agatha Christie, il s'offre un rôle à contre-emploi, celui de l'émouvant Alex dans le drame Des vents contraires (2011), de Jalil Lespert.

L'acteur a trouvé son rythme de croisière et continue d'alterner avec éclectisme entre cinéma (la comédie familiale Sea, no sex and sun ou le loufoque Renard jaune de Jean-Pierre Mocky, les retrouvailles avec Lelouch pour Salaud, on t'aime ou Pascale Pouzadoux pour une Dernière leçon), et téléfilms (La Boule noire, Famille et turbulences, Frères à demi). En 2016, il retrouve finalement Franck Dubosc pour une troisième virée en camping, toujours sous la direction de Fabien Onteniente.