Antonia Bill wurde 1988 in München geboren und wuchs im fränkischen Dorf Effeltrich auf. Erste Schauspielerfahrungen sammelte sie im Kindesalter, durch regelmäßige Auftritte mit ihren Eltern und ihrer Schwester am Erlangener Kleinkunsttheater Fifty-Fifty. Von 2008 bis 2012 absolvierte sie eine Ausbildung an der Hochschule für Schauspielkunst 'Ernst Busch' in Berlin. Bereits während des Studiums stand sie am Deutschen Theater Berlin und am Berliner Ensemble auf der Bühne. 2011 gewann sie, am Klavier von Rainer Bielfeldt begleitet, den 1. Preis für Chanson beim Bundesgesangswettbewerb Berlin. Auch ihr Debüt als Filmschauspielerin gab Antonia Bill im Jahr 2011: mit einer Hauptrolle in Edgar Reitz' "Die andere Heimat – Chronik einer Sehnsucht", dessen Dreharbeiten 2011 begannen, der aber erst 2013 in die Kinos kam. Für ihre Leistung in diesem Film wurde sie beim Preis der deutschen Filmkritik als Beste Darstellerin nominiert.

Trotzdem blieb das Theater zunächst ihr Hauptbetätigungsfeld: Nachdem sie 2011 von Claus Peymann entdeckt und ans Berliner Ensemble engagiert worden war, hatte sie dort nach ihrem Diplom-Abschluss von 2012 bis 2017 eine feste Anstellung. Sie arbeitete mit Regisseur*innen wie Leander Haußmann, Claus Peymann, Robert Wilson, Katharina Thalbach und Luc Bondy, und wurde für ihr Schaffen 2015 mit dem Daphnepreis der Theatergemeinde Berlin ausgezeichnet. Für ihr Soloprogramm "Das kunstseidene Mädchen" von Irmgard Keun (entwickelt mit Michal Grabowski, Carsten Golbeck und Rainer Bielfeldt) erhielt sie 2016 den Publikumspreis bei der Woche junger Schauspieler in Bensheim.

Ab dem Jahr 2015 stand Bill regelmäßig auch vor der Kamera, vor allem für Fernsehproduktionen. So hatte sie eine Episodenhauptrolle in der Comedyserie "Der Tatortreiniger" (2015) und gehörte in einer Nebenrolle zum Ensemble der "Tatort"-Folge "Der wüste Gobi" (2017). 2017 begann sie, als freie Schauspielerin zu arbeiten, mit Engagements unter anderem an der Volksbühne Berlin, am Berliner Ensemble und am Deutschen Theater Berlin. 

Im Fernsehen übernahm sie Haupt- und Nebenrollen in Folgen von Serien wie "Letzte Spur Berlin", "Das Institut, Oase des Scheiterns", "SOKO Köln" und "Großstadtrevier". Eine kleinere Kinorolle hatte sie als Krankenschwester in Florian Henckel von Donnersmarcks "Werk ohne Autor" (2018). In dem Psychodrama "Ein Schritt zu viel" (2020) war sie die Tochter von Nicki von Tempelhoffs Hauptfigur, in "Rosamunde Pilcher - Im siebten Himmel" (2021) spielte sie die Hauptrolle einer britischen Jung-Vikarin, die sich zu verlieben droht.

Als Theaterschauspielerin sah man sie unter anderem an der Berliner Volksbühne in Leander Haußmanns "Haußmanns Staatssicherheitstheater" (2018) sowie am Thalia Theater in Arthur Millers "Hexenjagd" (2018) und in Kleists "Amphitryon" (2019).

Unter der Regie von Haußmann, mit dem sie bereits mehrfach an verschiedenen Theatern gearbeitet hatte, spielte Antonia Bill eine Kino-Hauptrolle in "Leander Haußmanns Stasikomödie" (2021), als Ehefrau der Hauptfigur in jüngeren Jahren.