O italiano de 19 anos, que largou na pole mas caiu rapidamente para a sexta posição, cruzou a linha de chegada 13,7 segundos à frente de Oscar Piastri, da McLaren, com Charles Leclerc, da Ferrari, completando o pódio.
O companheiro de Antonelli, George Russell, terminou em quarto, enquanto o atual campeão mundial Lando Norris ficou em quinto com o outro carro da McLaren, à frente de Lewis Hamilton, da Ferrari.
A vitória de Antonelli em Suzuka veio logo após o triunfo na China e lhe deu uma vantagem de nove pontos sobre Russell na classificação geral. Ele também se tornou o primeiro italiano a vencer duas corridas seguidas de F1 desde Alberto Ascari, em 1953.
Antonelli assumiu a liderança quando seus rivais, incluindo o companheiro Russell, pararam nos boxes para trocar pneus pouco antes de um forte acidente de Oliver Bearman, da Haas, provocar a entrada do safety car.
Isso permitiu que Antonelli fizesse sua parada e mantivesse a liderança, deixando Russell, que havia parado uma volta antes, lamentando o azar. "Tive sorte com o safety car, mas o ritmo foi inacreditável no final," disse Antonelli no rádio da equipe. "Hoje realmente escapamos por pouco," respondeu seu engenheiro de corrida.
Bearman foi liberado pelos médicos após sair mancando do acidente em alta velocidade, que aconteceu depois que ele se aproximou rapidamente do Alpine de Franco Colapinto e saiu para a grama antes de bater forte nas barreiras.
Ele passou por um raio-X no centro médico do circuito, que revelou uma contusão no joelho direito, mas nenhuma fratura, segundo um porta-voz da Haas.
Norris também parou nos boxes durante o safety car e chegou a subir para terceiro, mas não conseguiu segurar a posição no pódio.
Pierre Gasly terminou em sétimo com a Alpine, enquanto Max Verstappen, tetracampeão mundial da Red Bull, ainda conseguiu marcar alguns pontos ao chegar em oitavo. Liam Lawson foi o nono com a Racing Bulls e Esteban Ocon completou o top 10 com seu Haas.