Charles Leclerc, da Ferrari, garantiu o terceiro melhor tempo, enquanto o atual campeão mundial da McLaren, Lando Norris, vencedor da sprint mais cedo, vai largar em quarto em um domingo que promete ser marcado por tempestades.
Antonelli, de 19 anos, está buscando sua terceira vitória seguida após triunfos na China e no Japão.
A pole foi uma resposta imediata e contundente ao fato de ter caído para sexto lugar na sprint, a primeira corrida da temporada em qualquer formato que a Mercedes não venceu.
"Foi um dia incrível estar na pole de novo", disse ele. "Começamos com dificuldades na Sprint, não foi do jeito que queríamos, mas estou muito feliz com a recuperação."
"O quali foi bom, me empolguei um pouco na última volta do Q3, mas a primeira volta já tinha sido suficiente."
Antonelli garantiu a pole provisória com o tempo de 1min27s798, 0s345 mais rápido que a primeira volta de Leclerc e 0s383 à frente de Verstappen.
No fim, o tempo ficou inalcançável para os demais, mesmo com Verstappen diminuindo a diferença para 0s166 e Antonelli passando reto na curva um em sua última tentativa.
George Russell, companheiro de Antonelli e seu rival mais próximo, sete pontos atrás, ficou em quinto, com Lewis Hamilton, heptacampeão mundial da Ferrari, em sexto.
Oscar Piastri, da McLaren, vencedor do GP de Miami no ano passado, vai largar em sétimo em um circuito onde as ultrapassagens não devem ser um grande problema, especialmente na era das novas regras.
O argentino Franco Colapinto foi o oitavo mais rápido com a Alpine, que pertence à Renault, enquanto Isack Hadjar, da Red Bull, e Pierre Gasly, também da Alpine, fecharam o top 10.
Antonelli foi o mais rápido na primeira fase da classificação, à frente de Leclerc, Verstappen e Norris, com Piastri passando por pouco em 16º.
"Oscar, estamos classificados com segurança", avisou seu engenheiro pelo rádio, recebendo a resposta: "'Segurança' é uma palavra ousada nessa situação, eu acho."
Na segunda fase, em que Verstappen fez a volta mais rápida à frente de Antonelli, houve uma breve interrupção depois que os freios do Audi de Gabriel Bortoleto pegaram fogo e ele parou na reta oposta.
O brasileiro terminou em último na tabela de tempos, atrás de Valtteri Bottas e Sergio Perez, que correram pela Cadillac no primeiro fim de semana da equipe em casa.