Выросла в семье педагогов, детство и юность провела в Венеции, Генуе и Неаполе.
С детства хотела пойти по стопам родителей и стать учителем, для чего окончила высший институт физического воспитания в Неаполе. Недолгое время проработав учителем физкультуры в римском лицее «Артистико» , приняла участие в качестве рекламной модели в телешоу «Carosello» , после чего начала карьеру актрисы.
В 1965 году дебютировала в незначительной роли в фильме режиссёра Луиджи Петрини «Шестнадцатилетние» .
В 1960-х годах снималась в фильмах «Доктор Голдфут и девушки-бомбы» , «Сексуальная революция» , «Венера в мехах» .
В 1973 году выходит фильм «Коварство» режиссёра Сальваторе Сампери, которая заработала только в итальянских кинотеатрах 6 миллиардов лир и сделала из Лауры Антонелли звезду итальянского эротического кино.
В 1970-х — 1980-х годах играла преимущественно в эротических драмах, фарсах и комедиях: «Безумный секс» (1973), «Боже мой, как низко я пала!» (1974), «Тигры в губной помаде» (1979), «Чистая и целомудренная» (1981), «Римини, Римини» (1987) и других.
В 1976 году сыграла главную роль в фильме Лукино Висконти «Невинный» , в котором блестяще проявила своё драматическое дарование.
К значительным работам актрисы также относятся ленты «Жена-любовница» (1977) и «Любовная страсть» (1981).27 апреля 1991 года на вилле Лауры Антонелли в городе Черветере (Cerveteri) карабинеры обнаружили 36 граммов кокаина. Актриса была обвинена в распространении наркотиков, арестована, а затем помещена под домашний арест. Суд первой инстанции приговорил её к 3,5 годам тюрьмы. Лишь через 9 лет апелляционный суд оправдал её, в том числе благодаря изменению в Италии закона, регулирующего вопросы, связанные с употреблением наркотиков.
В том же 1991 году на съёмках фильма «Наваждение» (Malizia 2000) продюсеры, чтобы освежить лицо актрисы, настояли на курсе коллагеновых инъекций, которые фактически обезобразили её лицо. За этим эпизодом последовал 13-летний судебный процесс, в итоге Трибунал Рима отклонил иск Антонелли, требовавшей возмещения нанесённого ущерба. Актриса не выдержала нервного напряжения и попала в психиатрическую клинику. Процесс был возобновлён в 2003 году и присудил ей 10 тысяч евро, и лишь в 2006 году итальянский апелляционный суд признал правоту Антонелли и приказал выплатить ей в качестве компенсации 108 тысяч евро.Все эти годы Лаура Антонелли практически не показывалась на публике и избегала каких-либо контактов с бывшими коллегами и прессой.