Antoine Hamel grandit à Chartres, où il pratique le théâtre dans une troupe lorsqu'il est au lycée. Une fois son bac scientifique en poche et voulant suivre le chemin de ses amis, il s'inscrit au Conservatoire en 2002. Il en sort en 2005 et décide d'intégrer le théâtre national de Strasbourg. Le jeune homme joue ainsi dans plusieurs pièces (comme "La Nuit des rois" de Shakespeare) et multiplie les castings, ce qui lui permet de connaître sa première expérience devant une caméra dans le court métrage Ma belle rebelle en 2006.
En 2010, Antoine Hamel se glisse dans la peau de l'un des quatre garçons de la série Quatre garçons dans la nuit. Pour l'occasion, il côtoie d'autres jeunes talents : Julien Baumgartner, Dimitri Storoge et Pascal Cervo, avec lesquels il obtient le prix d'interprétation au festival de Luchon. Il trouve ensuite un rôle récurrent dans Les Bleus : Premiers pas dans la police, celui d'Antoine Lecomte, un policier pistonné passionné d'informatique et d'anatomie (ce qui lui permet de se rendre utile dans les enquêtes).
Le comédien poursuit avec un rôle secondaire dans L'Epervier, une mini-série d'époque de six épisodes mise en scène par Stéphane Clavier et adaptée de la bande-dessinée du même nom de Patrice Pellerin. Il y joue le fourbe Frelon, second du capitaine d'un navire. Actif, Antoine Hamel enchaîne les apparitions dans les séries, souvent policières, comme en témoignent ses prestations dans Ainsi soient-ils (2012), Vaugand (2014), Candice Renoir (2015), Duel au soleil (2016) ou encore Tropiques criminels (2019).
En 2017, il incarne un petit rôle (un homme dans un pick-up) dans le thriller Mon garçon, où Guillaume Canet tente de retrouver son fils enlevé dans les Alpes. Cette même année, il rejoint le casting de la série à succès France 3 La Stagiaire avec Michèle Bernier, à partir de la deuxième saison. Il y campe le juge Boris Delcourt. En 2021, Antoine Hamel est en tête d'affiche du téléfilm Meurtres à Pont-L'Evêque, dans le rôle d'un policier enquêtant sur un étrange crime aux côtés de son frère (Arnaud Binard), avec qui il est en froid.
Laurent Schenck