Антониади родился в Константинополе, с 18 лет занимался астрономическими наблюдениями, в 1893 стал сотрудником обсерватории Фламмариона в Жювизи. Во время противостояния 1909 года (великого противостояния) провёл серию наблюдений Марса на 83-сантиметровом рефракторе в Медонском филиале Парижской обсерватории, составил самые детальные карты поверхности Марса того времени. После этого, вслед за Эдвардом Маундером, пришёл к выводу, что марсианские каналы являются оптической иллюзией.
В 1924 году (великое противостояние) обнаружил признаки вулканической деятельности на Марсе. По итогам своих многолетних наблюдений и изучения архивных данных выпустил монографию «Планета Марс» (1930).Официальная номенклатура деталей альбедо Меркурия принята XVI Генеральной ассамблеей МАС в 1976 году.
Она основана на названиях, предложенных Эженом Антониади в 1934 году.Антониади известен также своей шкалой видимости, которая характеризует условия для наблюдения звездного неба цифрой от I до V в зависимости от состояния атмосферы и широко используется астрономами-любителями.
В 1925 году стал лауреатом премии Жюля Жансена, высшей награды Французского астрономического общества.
В 1927 году принят в кавалеры ордена Почётного легиона. Награждён двумя премиями Французской академии наук — премией Гюзмана (1926) и премией Лакайля (1932).
В его честь названы кратер на Луне, кратер на Марсе и горный хребет на Меркурии.
В 1904 году получил уникальное разрешение турецкого султана Абдул-Хамида II делать зарисовки, а также впервые фотографировать внутри Софийского собора в Константинополе. За четыре с половиной месяца сделал 1008 снимков и столько же рисунков собора. Трёхтомный атлас, изданный Антониади в 1907 году, содержит около 800 страниц, 250 рисунков и 100 снимков.Занимался историей астрономии Древней Греции и Древнего Египта.Антониади был сильным шахматистом. Лучший результат: на Парижском турнире 1907 года разделил 1—2-е места с американцем Фрэнком Джеймсом Маршаллом, одним из сильнейших шахматистов начала XX века.