O britânico de 25 anos, que lidera o campeonato de pilotos com um ponto de vantagem sobre Piastri, faltando quatro Grandes Prêmios para o fim, registrou sua melhor volta em 1:09.243 nos segundos finais de uma sessão tensa no quente circuito de Interlagos.
Antonelli ficou em segundo, a 0.097 segundos de distância, com Piastri 0.185 segundos atrás, em terceiro, à frente de George Russell, da Mercedes, e do bicampeão Fernando Alonso, da Aston Martin.
"Hoje foi um bom dia para mim", disse Norris, que recuperou a liderança do campeonato pela primeira vez em seis meses ao vencer no México há duas semanas. "É um fim de semana prolongado e ainda é só sexta-feira – e a previsão é de vento e chuva, então temos que estar preparados para isso."
Max Verstappen, que está 36 pontos atrás de Norris na disputa pelo título, largará em sexto, insatisfeito com a Red Bull. O tetracampeão reclamou do equilíbrio do carro, à frente de Lance Stroll, da Aston Martin, e Charles Leclerc, da Ferrari.
Gabriel Bortoleto, estreante em sua corrida local, não conseguiu superar o SQ2 e largará apenas em 14º. O seu companheiro de equipe, o alemão Nico Hülkenberg, partirá da 10ª colocação.
A corrida sprint do GP de São Paulo será disputada no sábado (8), a partir das 11h (horário de Brasília). A classificação, no mesmo dia, começará às 15h. A corrida principal, no domingo (9), terá sua largada às 14h.