Antoine Duléry ist der Enkel des Schauspielers Albert Duléry und der Sohn des Regisseurs und Malers Jacques Duléry. Bis zu seinem 15. Lebensjahr beschäftigte er sich selbst noch mit der Malerei, bevor er zur Schauspielerei kam. 1980 beendete er sein Studium an der renommierten Pariser Schauspielschule Cours Florent und spielte daraufhin Theater. Sein Leinwanddebüt gab er in der 1981 erschienenen und von Pascal Thomas inszenierten Komödie Celles qu'on n'a pas eues an der Seite von Michel Aumont und Jean-Pierre Darroussin.
Nach seiner Scheidung 1994 von seiner ersten Ehefrau, einer Stylistin, hatte er kurzzeitig eine Affäre mit der Schauspielerin Mathilde Seigner. Anschließend heiratete er die Schauspielerin Pascale Pouzadoux, mit der er seitdem zwei gemeinsame Kinder hat.