Antonelli, que conquistou a nona vitória da temporada, superou o monegasco Charles Leclerc (Ferrari), segundo classificado, e o neerlandês Max Verstappen (Red Bull), que completou o pódio.
O brasileiro Gabriel Bortoleto (Audi), que partiu da 21.ª posição depois de sofrer uma penalização de seis lugares na grelha de partida devido à substituição de componentes, protagonizou uma boa recuperação e terminou a corrida no 13.º lugar.
No próximo fim de semana, Antonelli, de 20 anos, poderá tornar-se o campeão mundial mais jovem da história, caso termine, pelo menos, na nona posição no Grande Prémio do México, a 19.ª das 23 provas da temporada.
"Era o resultado de que precisávamos. Toda a equipa merece muito esta vitória", celebrou o italiano. "Foi uma execução perfeita, desde a estratégia até à forma como conseguimos fazer funcionar a estratégia de uma única paragem."
"Estamos muito perto, mas queremos terminar no topo e garantir o título o mais rapidamente possível", acrescentou.
Apesar de ter cumprido a sua missão na perfeição, a vitória não era suficiente para Antonelli conquistar o título mundial no Texas.
Para isso, era também necessário que George Russell (Mercedes) terminasse fora dos oito primeiros e que Lewis Hamilton (Ferrari) não ficasse entre os quatro primeiros, condições que os dois britânicos cumpriram à justa.
Uma penalização de cinco segundos aplicada ao piloto da Mercedes, por ter saído dos limites da pista na primeira volta, trouxe alguma emoção a uma corrida marcada pela estratégia.
Vitória de ponta a ponta
Antonelli, que tinha conquistado no sábado a primeira pole position em dois meses, resistiu à pressão no arranque e deixou Verstappen para trás.
Sem conseguir atacar o italiano, o tetracampeão mundial da Red Bull teve de se defender dos Ferrari de Hamilton e Leclerc, tendo este último chegado a assumir, por breves instantes, a segunda posição.
Antonelli conduziu com mestria num circuito marcado por fortes irregularidades no asfalto, que motivaram queixas de vários pilotos, e a sua vantagem sobre Verstappen aproximava-se dos cinco segundos à 15.ª volta.
Pouco antes, tinha sido anunciada uma penalização de cinco segundos a Russell por ter saído dos limites da pista na primeira volta, uma manobra que, no entender dos comissários, lhe permitiu manter a posição.
O britânico cumpriu a penalização durante uma paragem nas boxes, à 23.ª volta, e regressou à pista na 10.ª posição.
Com Hamilton em quinto, Antonelli era o campeão virtual quando efetuou a sua única paragem nas boxes.
Verstappen liderou até realizar a segunda paragem, altura em que Antonelli recuperou a liderança com uma ultrapassagem sem dificuldades a Leclerc.
Com o italiano lançado para a vitória, as atenções viraram-se para a luta pelo segundo lugar entre o britânico Lando Norris (McLaren), Verstappen e Leclerc, que acabou por levar a melhor, num fim de semana promissor para a Ferrari.
Resultado do GP dos Estados Unidos de Fórmula 1:
1. Kimi Antonelli (ITA/Mercedes) 1h35:16.650
2. Charles Leclerc (MON/Ferrari) +13.078
3. Max Verstappen (HOL/Red Bull) +17.485
4. Lewis Hamilton (GBR/Ferrari) +18.515
5. Lando Norris (GBR/McLaren-Mercedes) +30.521
6. Isack Hadjar (FRA/Red Bull) +34.373
7. Oscar Piastri (AUS/McLaren-Mercedes) +52.674
8. George Russell (GBR/Mercedes) +54.303
9. Liam Lawson (NZL/Racing Bulls-Red Bull) +1:19.183
10. Pierre Gasly (FRA/Alpine-Mercedes) +1:27.516
11. Nico Hülkenberg (ALE/Audi) +1:34.945
12. Arvid Lindblad (GBR/Racing Bulls-Red Bull) +1 volta
13. Gabriel Bortoleto (BRA/Audi) +1 volta
14. Esteban Ocon (FRA/Haas-Ferrari) + 1 volta
15. Lance Stroll (CAN/Aston Martin-Honda) +1 volta
16. Fernando Alonso (ESP/Aston Martin-Honda) +1 volta
17. Alexander Albon (TAI/Williams-Mercedes) +1 volta
18. Carlos Sainz (ESP/Williams-Mercedes) +1 volta
19. Sergio Pérez (MEX/Cadillac-Ferrari) +1 volta
• Volta mais rápida da corrida:
Charles Leclerc (MON/Ferrari) 1:37.976 na 42ª volta (velocidade média: 216,457 km/h)
• Desistências:
Oliver Bearman (GBR/Haas-Ferrari): problema mecânico na 26ª volta
Franco Colapinto (ARG/Alpine-Mercedes): problema mecânico na 37ª volta
Valtteri Bottas (FIN/Cadillac-Ferrari): problema mecânico na 50ª volta
Classificação do Mundial de Fórmula 1:
• Campeoanto de pilotos:
1. Andrea Kimi Antonelli (ITA) 365 pts
2. George Russell (GBR) 242
3. Lewis Hamilton (GBR) 241
4. Max Verstappen (HOL) 236
5. Charles Leclerc (MON) 233
6. Lando Norris (GBR) 211
7. Oscar Piastri (AUS) 144
8. Isack Hadjar (FRA) 105
9. Liam Lawson (NZL) 77
10. Pierre Gasly (FRA) 42
11. Arvid Lindblad (GBR) 38
12. Franco Colapinto (ARG) 27
13. Oliver Bearman (GBR) 23
14. Nico Hülkenberg (ALE) 13
15. Gabriel Bortoleto (BRA) 10
16. Estéban Ocon (FRA) 7
17. Fernando Alonso (ESP) 7
18. Carlos Sainz (ESP) 7
19. Alexander Albon (TAI) 5
20. Yuki Tsunoda (JAP) 1
21. Lance Stroll (CAN) 0
22. Valtteri Bottas (FIN) 0
23. Sergio Pérez (MEX) 0
• Campeonato de construtores:
1. Mercedes 607 pts
2. Ferrari 474
3. Red Bull 355
4. McLaren-Mercedes 355
5. Racing Bulls-Red Bull 102
6. Alpine-Mercedes 69
7. Haas-Ferrari 30
8. Audi 23
9. Williams-Mercedes 12
10. Aston Martin- Honda 7
11. Cadillac-Ferrari 0