Appartenente a una celebre famiglia di architetti fiorentini, giunse a Roma nel 1503 con lo zio Giuliano. Qui si formò e molto presto divenne aiutante di Bramante, allora attivo nella fabbrica di San Pietro in Vaticano, nella quale dal 1516 Antonio divenne coadiutore prima di Raffaello e poi di Peruzzi. Dalla fine degli anni ’30, complice anche il Sacco di Roma (1527), Sangallo si ritrovò a essere a capo dei principali cantieri della città. Tra le sue realizzazioni vanno ricordate la chiesa di Santa Maria di Loreto (1507), la Cappella Paolina e la Sala Regia in Vaticano (1534-40), la chiesa di Santo Spirito in Sassia (1538-45), il completamento di San Giovanni dei Fiorentini, ma soprattutto Palazzo Farnese (dal 1512), residenza della famiglia di Paolo III, che poi completerà Michelangelo. Fuori Roma fu impegnato nella costruzione del Pozzo di San Patrizio a Orvieto, nel Palazzo Farnese di Caprarola (1515), nella cittadella di Ancona (1532), nella Fortezza da Basso a Firenze (1534).