Nacido en 1997, hizo su debut cinematográfico a la edad de 12 años en el papel principal de Frisson des collines dirigida por Richard Roy. Por este papel ganó en 2012 el premio al actor más prometedor en el Festival Internacional de Cine Du grain à démoudre, en Francia. También fue en 2012 cuando Antoine Olivier fue llamado para hacer una aparición en la película Laurence Anyways, de Xavier Dolan y obtuvo el papel principal de Janeau Trudel en la película Les Pee-Wee 3D: l’hiver qui a changé mavie (Éric Tessier), por la que ganó el Premio Joven Artista al Mejor Actor en una Película Extranjera.

Después protagonizaría Mommy de Xavier Dolan, película que ganó el Premio del Jurado en el Festival de Cine de Cannes 2014. Por esta actuación, Antoine Olivier fue votado como el actor más prometedor de 2014 por la revista Elle France y ganó varios premios prestigiosos como el Satellite Award en Los Ángeles, el premio al Mejor Actor en los Canadian Screen Awards en Toronto, el Iris al Mejor Actor en Quebec, etc. En 2016, por su interpretación de Tim en la película 1:54 (Yan England), ganó el Valois al mejor actor en el Festival du film francophone d'Angoulême en Francia. En la primavera de 2018, el prolífico actor rodaba su primer largometraje en inglés: Target Number One, dirigida por Daniel Roby y producida por Caramel Films.