Antoine Duchesne réalise sa première saison chez les professionnels en 2013, sous les couleurs de l'équipe Bontrager. Repéré par Europcar, à la suite notamment de sa troisième place aux championnats du Canada, il rejoint la formation française en 2014, grâce notamment à un mécène de son pays natal qui prend en charge une partie de son salaire[1].
Souvent équipier, il parvient à se faire remarquer sur la Polynormande, dont il prend la deuxième place. L'année suivante, il participe de nouveau à cette course mais échoue à la troisième place. En fin de saison, il découvre les grands tours sur le Tour d'Espagne.
À l'occasion de Paris-Nice 2016, il est le dernier rescapé de l'échappée de la 5e étape puis se fait reprendre par Alexey Lutsenko, futur vainqueur, qu'il n'arrive pas à suivre. Le lendemain, le coureur de Direct Énergie se console en s'emparant du maillot de la montagne, qu'il conserve jusqu'à l'arrivée finale à Nice.
Sa saison est également marquée par ses grands débuts sur le Tour de France. Avec la sélection canadienne, il participe ensuite au Tour d'Alberta, qu'il termine à la 8e position.
Non conservé par l'équipe Direct Énergie à l'issue de la saison 2017, il est proche de mettre un terme à sa carrière[1]. Il est finalement recruté par l'équipe World Tour FDJ pour la saison 2018[2].
Il devient champion du Canada sur route en 2018. En août, son équipe annonce une prolongation de son contrat de deux saisons[3].
