Dwa tygodnie później wziął udział w kolejnych testach, tym razem na obiekcie Autodromo Enzo e Dino Ferrari, prowadząc W13. W związku ze słabymi występami Logana Sargeanta i modyfikacjami w przepisach o przyznawaniu superlicencji, Włoch był typowany do zajęcia miejsca Amerykanina w zespole Williams, jednak szef Mercedesa Toto Wolff zaprzeczył tym doniesieniom.
Antonelli zadebiutował w weekendzie wyścigowym Formuły 1 podczas pierwszego treningu do Grand Prix Włoch, zastępując George'a Russella. Włoch przejechał pięć okrążeń, po czym wpadł w poślizg na zakręcie Parabolica uderzając w bariery. 31 sierpnia 2024, Mercedes ogłosił, że Andrea Kimi Antonelli będzie partnerem zespołowym Russella w sezonie 2025. Antonelli zadebiutował w Formule 1 podczas Grand Prix Australii 2025. Po starcie z 16. miejsca, w rozgrywanym w zmiennych warunkach wyścigu awansował na czwartą pozycję. W wieku 18 lat i 203 dni został drugim najmłodszym kierowcą w historii Formuły 1, który zdobył punkty, ustępując pod tym względem jedynie Maxowi Verstappenowi. Pierwsze podium w Formule 1 wywalczył w Grand Prix Kanady, które ukończył na trzecim miejscu za George’em Russellem i Maxem Verstappenem.