As Flechas de Prata alcançaram duas dobradinhas nas duas corridas disputadas neste ano e voltaram a liderar o pelotão em condições secas em Suzuka.
O italiano de 19 anos, Antonelli, tornou-se o mais jovem piloto a conquistar uma pole na história da F1 há duas semanas na China e repetiu o feito, ao registar a volta mais rápida em 1min28s778.
O líder do campeonato, Russell, ficou atrás, a 0,298 segundos, com Oscar Piastri, da McLaren, em terceiro e Charles Leclerc, da Ferrari, em quarto.
"Estou super feliz com a sessão, correu bem, foi limpa", afirmou Antonelli, que venceu em Xangai seu primeiro grande prêmio: "Me senti muito bem no carro e consegui melhorar em cada saída para a pista."
Russell disse que teve dificuldades durante grande parte da sessão de qualificação, mas ainda assim conseguiu garantir um bom tempo.
"Estivemos ambos muito rápidos durante todo o fim de semana, fizemos alguns ajustes e depois, no início da qualificação, não estávamos em lado nenhum", explicou o britânico. "A corrida é amanhã e ainda há muito em jogo."
O campeão do mundo da McLaren, Lando Norris, ficou em quinto, seguido por Lewis Hamilton, da Ferrari, e Pierre Gasly, da Alpine.
Max Verstappen, vencedor do Grande Prêmio do Japão nos últimos quatro anos, ficou pela Q2 e vai sair da 11ª posição. O holandês da Red Bull, tetracampeão do mundo, tinha conquistado a pole no ano passado com um tempo recorde da pista.
Verstappen, que abandonou na Q3 na prova de abertura da temporada na Austrália, afirmou que o carro estava "completamente impossível de conduzir".
"Algumas peças não estão funcionando como gostaríamos. Problemas com a aerodinâmica, não consegui atacar nenhuma curva, muita sobreviragem. No meio da curva, o carro simplesmente não vira. É muito estranho", lamentou.
Esteban Ocon, da Haas, Nico Hulkenberg, da Audi, Liam Lawson, da RB, Franco Colapinto, da Alpine, e Carlos Sainz, da Williams, também ficaram-se pela Q2. O piloto da Haas, Ollie Bearman, foi uma das surpresas ao ser eliminado na Q3, depois de ter terminado em quinto no Grande Prêmio da China.
A dupla da Cadillac, Sergio Perez e Valtteri Bottas, saiu também com ele, tal como Alex Albon, da Williams, e os pilotos da Aston Martin, Fernando Alonso e Lance Stroll.
A dupla da Aston Martin, que ainda não conseguiu terminar um grande prêmio nesta temporada devido a problemas de vibração extrema, ficou nas últimas posições.