D'abord institutrice (professeur de gymnastique), Laura Antonelli commence sa carrière avec la série télévisée italienne « Carosello » avant de tourner son premier film en 1965 avec
Vincent Price dans Le Spie vengono dal semifreddo. Elle met ensuite ses formes généreuses au service du film Le Malizie di Venere en 1969, censuré à sa sortie. Sa carrière culmine au cours des années 1970, elle tourne quelques films en France,
Sans mobile apparent de
Philippe Labro, Les Mariés de l'an II de
Jean-Paul Rappeneau et
Docteur Popaul de
Claude Chabrol. Elle fait la rencontre sur ce film de
Jean-Paul Belmondo, dont elle est la compagne de 1972 à 1980. Dès lors sa carrière explose, devenant à l'époque un "sex-symbol" très connu dans des films italiens et internationaux, dans lesquels elle n'hésite pas à se dénuder sans complexe.
Elle gagne le prix Donatello en 1973 et en 1981 et le Ruban d'argent, prix de la meilleure actrice décerné par le Syndicat National italien des journalistes cinématographiques pour Malizia en 1974.
De retour en Italie, elle obtient un grand succès avec Malizia. À noter sa prestation comme support de fantasmes érotiques dans Il Merlo Maschio de
Pasquale Festa Campanile (Ma femme est un violon en français), sorti en 1972 : l'affiche, très aguichante et directement inspirée d'une photo de
Man Ray, représentait ses hanches parfaites vues de derrière, avec les ouïes d'un violoncelle en surimpression. Dans le film son mari, M. Vivaldi, violoncelliste timide et très jaloux, finissait par rêver qu'il enfermait sa trop belle Costanza dans l'étui de son instrument. Dès lors, elle tourne avec les plus grands de
Dino Risi à
Luchino Visconti en passant par
Luigi Comencini et
Ettore Scola. Vers la fin de la décennie, Laura Antonelli est réléguée principalement dans des rôles comiques : Les Monstresses en 1979, Les derniers monstres en 1982, Grandi magazzini en 1986 et Rimini Rimini en 1987.
En 1991, on trouve chez elle de la cocaïne lors d'une perquisition des carabiniers. À la suite de quoi, reconnue coupable de possession et de trafic de drogue, elle est condamnée à une assignation à domicile, condamnation qui est annulée en appel, en 2001. Cette affaire mettra fin prématurément à sa carrière en 1991. Le projet d'un film, Malizia 2000, la pousse à entreprendre un traitement de chirurgie esthétique qui l'aurait défigurée à vie .
En juin 2010, l'ancienne actrice vit retirée du monde, via Napoli, à Ladispoli, à une quarantaine de kilomètres de Rome avec une pension de 510 EUR par mois d'allocation. Elle est devenue obèse.