Antonelli, mający dziewiętnaście lat, uzyskał czas o 0,222 sekundy lepszy od prowadzącego w klasyfikacji generalnej kolegi z zespołu George’a Russella, który zapewnił Mercedesowi blokadę pierwszego rzędu mimo wcześniejszych problemów z samochodem.
Kierowca Ferrari Lewis Hamilton uzyskał trzeci najlepszy czas.
Antonelli był już najmłodszym zdobywcą pole position w jakiejkolwiek formie po wygraniu kwalifikacji do zeszłorocznego sprintu w Miami, a w sobotę w Szanghaju pobił rekord Grand Prix Sebastiana Vettela, który Niemiec ustanowił jako dwudziestojednolatek w 2008 roku.
"To była bardzo czysta sesja, więc jestem naprawdę szczęśliwy" - powiedział Antonelli. "Widziałem, że Russell miał problem i starałem się zachować spokój oraz skoncentrować, żeby pojechać dobrym okrążeniem".
Russell przejechał tylko jedno okrążenie po tym, jak zatrzymał się na torze na początku ostatniej fazy i narzekał przez radio, że nie ma baterii i nie może zmienić biegu.
Brytyjczyk zdołał ponownie uruchomić samochód i wrócił do boksu, gdzie mechanicy pracowali na pełnych obrotach, by zdążył wyjechać przed końcem sesji.
"Zdecydowanie ograniczanie strat" - skomentował Russell, który wygrał wcześniejszy sprint i ma już 11 punktów przewagi na szczycie klasyfikacji.
"W Q2 przednie skrzydło się złamało, próbowaliśmy zrozumieć, co się stało. Potem w Q3 wyjechałem, samochód zatrzymał się na torze, nie chciał się uruchomić, nie mogłem zmienić biegu. Na ostatnim okrążeniu nie miałem baterii, nie miałem temperatury opon, nie miałem nic. Ale zespół wykonał świetną robotę, żebyśmy znaleźli się w tej sytuacji, mogło być znacznie gorzej".
Kierowca Ferrari Charles Leclerc był czwarty, a McLareny Oscara Piastriego i aktualnego mistrza Lando Norrisa zajęły odpowiednio piąte i szóste miejsce.
Pierre Gasly wywalczył siódmą pozycję dla Alpine należącego do Renault, czterokrotny mistrz świata Max Verstappen był ósmy dla Red Bulla, a nowy partner Holendra Isack Hadjar dziewiąty.
Oliver Bearman zamknął pierwszą dziesiątkę dla zespołu Haas z silnikiem Ferrari.
Williams, Aston Martin oraz debiutujący Cadillac to zespoły, których kierowcy nie awansowali z pierwszej fazy.
Doświadczony Fin z Cadillaca Valtteri Bottas uzyskał lepszy czas od Lance’a Strolla z Astona, podczas gdy Williams wciąż zmaga się z nadwagą samochodu.