O italiano, com 18 anos e 224 dias, liderou durante 10 voltas num primeiro stint de 31 voltas com pneus médios, depois dos outros pilotos terem ido à box, e depois estabeleceu o melhor tempo de um minuto e 30,965 segundos com pneus duros no circuito de Suzuka.
Antonelli terminou um lugar à frente do sete vezes campeão do mundo Lewis Hamilton, que substituiu na equipa depois do britânico de 40 anos se ter juntado à Ferrari, somando pontos pela terceira vez em três corridas.
"Não foi mau. O que me deixa mais feliz hoje é a confiança que tinha no carro e a confiança para forçar, que não tive na sexta-feira e no início do sábado", disse Antonelli, que teve dificuldades nos treinos, à emissora Sky Sports.
"Foi bastante surpreendente conseguir a volta mais rápida, mas definitivamente a sensação que tive no carro é o mais importante... Consegui explorar o limite, esforçar-me e brincar com o carro também. É uma boa aprendizagem e uma boa experiência para a próxima vez", continuou.
Antonelli conseguiu fazer tempos de volta consistentes, com o ritmo a melhorar no ar livre, uma vez que rodou mais tempo no primeiro stint e apanhou os carros da frente antes de ficar sem tempo.
"Foi também uma sensação agradável liderar a corrida durante algumas voltas e tornar-me o piloto mais jovem da história da F1 a fazê-lo. O próximo objetivo é fazer isso na única volta que interessa: a última", disse.
O anterior mais rápido foi Max Verstappen, com a Red Bull no Brasil em 2016, com 19 anos e 44 dias de idade.
Verstappen, vencedor da corrida para a Red Bull a partir da pole position no domingo, ainda detém o recorde do mais jovem vencedor de uma corrida sempre, com 18 anos e 228 dias, e Suzuka era a última oportunidade de Antonelli para o bater.