D’abord formé au conservatoire régional de Lyon, Antoine Joly intègre en 2012 le Conservatoire National Supérieur d’Art Dramatique de Paris, où il travaille notamment sous la direction de Jean-Damien Barbin, Xavier Gallais, Yvo Mentens, Anne Alvaro ou encore Thierry Thieû Niang. À sa sortie, il travaille avec plusieurs compagnies et metteurs en scène, dont Bernard Sobel, Marie Lamachère, Simon Bourgade… Egalement musicien, il participe à plusieurs spectacles de théâtre musical, comme Toutes Nos Fugues (2014) dont il assure l’écriture et la mise en scène, ainsi que Blue Train (2018) mis en scène par Antoine Sarrazin et Raphaël Naasz.
A partir de septembre 2019, il assure l’alternance avec Raphaël Naasz dans Nous sommes de ceux qui disent non à l’ombre dans le cadre de la tournée des lycées du TGP.