Carpi es un pueblito en la provincia de Módena, región Emilia-Romaña. Después de su primera educación musical bajo Nicolò Pace y Gaspare Griffoni, maestro di  cappella de la Catedral de Carpi, se trasladó a Bolonia, donde continuó sus estudios musicales, incluyendo composición, órgano, violonchelo, viola d'amore y canto. En 1706 se convirtió en maestro de música en el Collegio dei Nobili en Parma y virtuoso di camera del Duque Farnese. Desde Parma salió en varios viajes y pasó algún tiempo en el servicio del Rey de Dinamarca. En 1723 reapareció en Italia, donde colaboró en una ópera en Reggio nell'Emilia, "L'enigma disciolto", y en 1724 llegó a ser organista y más tarde maestro di cappella de la Accademia del Rosario en Finale Emilia. Al mismo tiempo siguió su carrera como violonchelista, tocando a menudo en Venecia.

En 1730 fue nombrado director de música en la Catedral de Carpi, y en 1731 fue virtuoso de la corte en Módena. Seis años después reinició sus viajes y dio actuaciones en varias ciudades italianas del norte. Desde aproximadamente 1741 hasta 1745 fue maestro di cappella en Alassio; en 1746 volvió a Carpi y fundó una escuela de música para niños pobres, que cerró tres años después. En 1753 dejó Carpi para volver a Alassio, luego volvió una vez más en 1755 a su ciudad natal para servir como maestro di cappella en la catedral, puesto que mantuvo hasta su muerte; durante ese tiempo escribió su "Trattato di musica".

Antonio Tonelli tocaba varios instrumentos pero prefería el violoncelo, cuando estaba haciendo su carrera en la orquesta y en la sala de concierto.

A menudo reducido a ser un músico itinerante, Tonelli era evidentemente una figura excéntrica, siempre vestido de negro clerical, aunque nunca fue siquiera un clérigo menor. Mucho se ha escrito sobre la relación con su joven alumna Rosa Partegiotti, a quien  enseñó órgano y canto. A pesar de una diferencia de edad de 62 años, el caprichoso Tonelli deseó casarse con ella; ella, sin embargo, entró en un convento donde continuó su profesión musical como organista y cantante.

Casi toda la música de Tonelli está perdida. Su "Trattato" muestra un método original de instrucción musical para los niños pequeños así como ideas sobre las prácticas musicales del siglo XVIII.  Aunque el tratado nunca fue impreso, lo envió para la corrección a G. B. Martini, que laboriosamente lo copió para su propia biblioteca; la realización de Tonelli del continuo del Op 5 de Corelli es quizás el ejemplo más importante de trascripción de continuo en el siglo XVIII, el que puede haber influido en el estilo de realización de continuo de Haendel. El tratado, que permanecía en manuscrito incluye capítulos sobre canto Gregoriano, órgano e interpretación del clavicordio, y composición para niños.