O britânico de 28 anos tinha sido superado anteriormente pelo jovem italiano, que procura a sua quarta vitória consecutiva em Grandes Prémios no domingo, mas demonstrou que mantém a resiliência e velocidade necessárias para lidar com a pressão crescente.
Russell foi o mais rápido com 1:12,965 minutos, batendo Antonelli por 0,068s numa sessão renhida, prolongada por uma longa interrupção com bandeira vermelha após o bicampeão Fernando Alonso ter batido com o seu Aston Martin.
"Sabe muito bem depois de um Miami difícil, mas nunca duvidei de mim próprio", afirmou Russell: "Sabia do que era capaz. Miami foi um pouco atípico, mas aqui há muita aderência e sente-se que se conduz um verdadeiro F1 neste circuito, como deve ser. As melhorias estão realmente a sentir-se, a equipa fez um trabalho fantástico ao trazer estas novidades. Vimos em Miami que a McLaren está próxima e a Ferrari não está muito atrás, e numa pista como esta estamos realmente a destacar-nos."
Antonelli afirmou: "A minha volta foi bastante má e a sessão não correu limpa para mim – cometi um erro e forcei logo na primeira volta quando não tinha preparado suficientemente os pneus e estavam frios... Amanhã vamos fazer melhor."
O campeão do mundo Lando Norris foi terceiro, à frente do colega de equipa na McLaren Oscar Piastri e dos Ferraris do heptacampeão Lewis Hamilton e Charles Leclerc.
Max Verstappen e Isack Hadjar qualificaram-se em sétimo e oitavo para a Red Bull, com o estreante da Racing Bulls Arvid Lindblad em nono e Carlos Sainz em 10.º para a Williams.
A sessão começou com Hamilton a liderar, com temperaturas mais quentes de 20 (ar) e 42 (pista), sendo o heptacampeão do Canadá a registar 1:15,459 minutos, tempo que foi rapidamente superado por Leclerc, Norris e Russell.
Verstappen também chegou ao topo. Depois surgiu Antonelli com 1:14,010 minutos, quase meio segundo à frente do neerlandês, antes de Hamilton, observado pela sua mãe Carmen nas boxes da Ferrari, registar 1:13,922 minutos e bater o jovem italiano por 0,088 segundos.
Hamilton melhorou, baixando o seu tempo para 1:13,889 minutos, antes de uma interrupção com bandeira vermelha, quando o bicampeão Fernando Alonso bateu na Curva Três após bloquear as rodas dianteiras no seu Aston Martin.
O britânico, que conquistou o seu primeiro triunfo em Montreal em 2007, estava claramente motivado. Isto deixou um grupo de pilotos ainda a precisar de uma volta rápida enquanto as barreiras eram reparadas.
"Bloqueei as rodas dianteiras e, a partir daí, és apenas passageiro", disse Alonso: "Não há espaço para evitar nada aqui… Demasiado no limite."
Apenas 20 carros participaram, com Alex Albon, da Williams, de fora após um acidente nos treinos, e Liam Lawson, da Racing Bulls, ausente devido a problemas na caixa de velocidades. A ação foi retomada após uma pausa de 20 minutos, com apenas 1:46 minutos para os pilotos completarem uma volta antes da bandeira e depois registarem uma volta rápida.
Apenas Carlos Sainz e a esperança local Lance Stroll conseguiram, mas sem melhorar o tempo. Isto deixou Sergio Perez eliminado, juntamente com o seu colega de equipa na Cadillac Valtteri Bottas, Stroll da Aston Martin e Pierre Gasly da Alpine.
Russell e Antonelli foram os primeiros a sair para a SQ2, mas foi Norris quem impôs o ritmo até Hamilton o superar, seguido de Russell com 1:13,466 minutos – e Antonelli logo atrás do seu colega de equipa na Mercedes por 0,085.
Verstappen saiu tarde e conseguiu apenas o nono tempo antes de ir às boxes, enquanto Hamilton assumiu o topo, mas Russell voltou a liderar com 1:13,026 minutos, quatro décimos de vantagem.
Desta vez ficaram de fora os pilotos da Audi Nico Hulkenberg e Gabriel Bortoleto, Franco Colapinto da Alpine e ambos os pilotos da Haas, além de Alonso.
Hamilton foi novamente o primeiro a sair para a SQ3, mas abortou a sua primeira volta com pneus macios antes de registar 1:13,605 minutos, batido apenas por um Russell revigorado que encontrou o ritmo para a pole com 1:13,194 minutos, que depois melhorou para 1:12,965 minutos na segunda tentativa.
Num último ataque de voltas rápidas, a dupla da Mercedes garantiu a primeira linha da grelha, à frente dos dois McLaren, dos dois Ferrari e dos Red Bull.