Né à Paris en 1993, Antonin Chalon baigne très tôt dans le milieu artistique : son père, Fabien Chalon, est un sculpteur de renom et sa mère n'est autre que Zabou Breitman, célèbre actrice et réalisatrice française. C'est d'ailleurs sous sa direction qu'il fait ses premiers pas au cinéma, en 2001, dans Se souvenir des belles choses, drame romantique emmené par Isabelle Carré et Bernard Campan.

Fort de ce premier essai prometteur, il continue sa scolarité (il suit le Cours Florent en 2013) tout en apparaissant dans plusieurs films de sa mère : L'Homme de sa vie (2006), Je l'aimais (2009), No et moi (sa prestation est récompensée par le Prix Lumières du meilleur espoir masculin en 2011) et le récent long métrage animé Les Hirondelles de Kaboul en tant que doubleur.

En 2015, Antonin Chalon est choisi pour jouer le personnage de Kad Merad adolescent dans Bis. Il donne alors la réplique à Fabian Wolfrom, qui campe Franck Dubosc jeune (et retrouve Kad après Le Grand méchant loup). Parallèlement à sa carrière cinéma, le jeune homme est également actif à la télévision, comme en témoignent ses participations aux séries policières Emma et Prof T.