Née le 28 novembre 1941 dans l’ancienne province italienne d’Istrie, aujourd’hui devenue croate, Laura Antonelli, est contrainte de quitter son pays natal avec sa famille. Après de brefs séjours dans plusieurs grandes villes d’Italie, c’est finalement à Naples qu’elle s’installe pour terminer ses études à l’Institut Supérieur Conservatoire d'Éducation Physique.

Sa carrière commence à Rome, avec un petit rôle dans une célèbre série quotidienne de la RAI, "Carosello". Puis, aux côtés de la légende du cinéma fantastique Vincent Price, dans la parodie de films d’espionnage L’espion qui venait du surgelé de Mario Bava (1966). Elle obtient enfin un premier rôle avec l’adaptation sulfureuse de La Vénus à la fourrure de Sacher-Masoch par Massimo Dallamano. Malheureusement, frappé par la censure, Venere Nuda ne sortira qu’en 1975.

En 1971, le succès de la comédie Ma femme est un violon de Pasquale Festa Campanile la propulse sur le devant de la scène. L’année suivante, elle rencontre Jean-Paul Belmondo sur le tournage de Les Mariés de l’an II, de Jean-Paul Rappeneau. Leur liaison s’officialise rapidement et Laura Antonelli se sépare de son premier mari, le producteur Enrico Piacentini.

La reconnaissance de la profession arrive en 1973 avec le film Malicia, culte pour toute une génération d’Italiens, et lui vaut même le prestigieux "Calice d’or",  attribué par la critique italienne. Elle tournera encore à deux reprises avec le réalisateur Salvatore Samperi, dans Peccato Veniale en 1974 et dans Malicia 2000 en 1991.

Au cours des dix années qui suivent, Laura Antonelli est en tête d’affiche de nombreux chefs d’œuvre du cinéma italien, tels que Mon Dieu, comment suis-je tombée si bas ? de Luigi Comencini en 1974, L’innocent de Luchino Visconti en 1976 ou Passion d’amour d’Etore Scolla en 1981. Les dernières années de sa carrière l’amènent encore à collaborer avec Dino Risi (Les Derniers Monstres, 1982), Mauro Bolognini (La Vénitienne, 1986) et Sergio Corbucci (Rimini, Rimini, 1987).

Le déclin commence le 27 avril 1991 lorsque la police découvre plusieurs dizaines de gramme de cocaïne au domicile de l’actrice. Acquittée des accusations pour trafic de drogue, elle est ensuite frappée par une série de problèmes médicaux, à la suite d’une opération de chirurgie esthétique destinée à faire disparaître ses rides. Laura Antonelli disparaît définitivement du paysage médiatique.

Le 22 juin 2015, elle est retrouvée inanimée dans son domicile de Ladispoli, près de Rome. Elle y avait élu domicile en 2010, non loin d’une communauté religieuse qui entretenait son intérêt pour les questions de spiritualité.