Народився в місті Комо. 1906 року закінчив школу мистецтв і ремесел. Того ж року перебрався в місто Мілан, де три роки навчався в Художній академії Брера. В академії познайомився із Карло Карра, Маріо Кьяттоне, Леонардо дюбревільє.
1912 року склав іспити й отримав ліцензію професора архітектурного проєктування, що надало йому права бути викладачем в місті Болонья. 1912 року також встиг вибудувати віллу Елізіум в Брунате (Комо). 1913 року працює в Болоньї викладачем архітектурного проєктування. Того ж року разом зі своїм приятелем Маріо Кьяттоне відкрив у Мілані архітектурне бюро. 1914 року був запрошений Карло Карра та Умберто Боччоне до участі в художньому напрямку футуризм.
У період 1912-1914 років під впливом могутнього піднесення інженерної думки, урбанізму, міської й промислової архітектури у Сполучених Штатах створив власну серію проєктів і архітектурних малюнків під назвою «Нове місто». Схожі тенденції мали й твори австрійських митців Отто Вагнера та Йосипа Марії Ольбріха.
Серія архітектурних проєктів і малюнків Сант-Елії була репрезентована на єдиній виставці товариства «Нові тенденції». До виставки «Нові тенденції» встигли надрукувати каталог.
Маніфест футуризму
1914 року був оприлюднений «Маніфест футуризму» Філіппо Томмазо Марінетті, котрий був певною мірою створений Антоніо Сант-Елією, а його настанови були викладені ще у каталозі до виставки. Він пропонував свій варіант пафосного промислового експресіонізму. Це були цілі комплекси споруд, пов'язані разом новими шляхами й новими комунікаціями на різних рівнях терасами, мостами, віадуками.
Волонтером на війну і смерть
Антоніо Сант-Елія мав соціалістичні політичні уподобання. Але належав до покоління, що не знало війни в Італії й вважало, що нещастя, тюрми і смерть — це не для них, а для інших. Він покинув архітектурну творчість і пішов 1915 року волонтером в італійську армію, був зарахований у Ломбардський батальйон волонтерів велосипедистів і автомобілістів. Мав звання молодшого лейтенанта. Перебував на фронті в Альпах біля міста Віченца. У липні 1916 року за військові операції отримав срібну нагороду за військову хоробрість.
Був убитий 10 жовтня 1916 року в бою під Монфальконе. Похований разом з іншими на військовому цвинтарі загиблих бригади «Ареццо». Пізніше його перепоховали у місті Комо.
Більшість його архітектурних проєктів не була здійснена. Але його проєкти, збережені в Комо, помітно вплинули на архітектурне проєктування декількох різних архітекторів. Проєкти Сант-Елії вплинули також на декорації кінострічки «Метрополіс»1927 року (кінорежисер — Фріц Ланг).
