El italiano, de 19 años, aprovechó la salida del coche de seguridad a mitad de carrera para colocarse en cabeza tras una pésima arrancada desde la pole, cruzando la meta por delante de Oscar Piastri de McLaren y Charles Leclerc de Ferrari.
La victoria de Antonelli en Suzuka ha llegado dos semanas después de lograr su primer triunfo en un gran premio en China, y le ha colocado líder del campeonato tras tres carreras, con nueve puntos de ventaja sobre su compañero de equipo George Russell.
En Mercedes no logran contener la expectación que está generando su joven piloto, aunque Antonelli ha asegurado que "no piensa demasiado en el campeonato".
"Por supuesto que es genial, pero aún queda mucho y tengo que seguir subiendo el listón, porque George es muy rápido," ha declarado.
"Seguro que volverá a su nivel habitual y los rivales también acabarán acercándose."
Antonelli ha cruzado la meta con 13.722 segundos de ventaja sobre Piastri, mientras que Leclerc ha terminado tercero a 1.548 segundos más.
Russell ha sido cuarto y cae al segundo puesto de la clasificación general con 63 puntos. Leclerc es tercero con 49.
Russell ha peleado con Piastri por el liderato durante la primera mitad de la carrera, pero ha parado en boxes justo antes del coche de seguridad, lo que le ha dejado sin opciones de victoria.
Piastri ha asegurado la segunda plaza en su primera salida de la temporada, después de accidentarse camino de la parrilla en la cita inaugural en Australia y perderse la carrera de China por un problema técnico.
Piastri ha liderado la primera mitad de la prueba hasta que el coche de seguridad le ha dado la oportunidad a Antonelli.
"Habría sido muy interesante ver qué habría pasado sin eso," ha comentado Piastri.
"Es una pena que nunca llegáramos a ver qué habría ocurrido, pero creo que, si ahora nos decepciona acabar segundos, es que estamos en un muy buen momento."
Malas salidas que "complican la vida"
El campeón del mundo de McLaren, Lando Norris, ha sido quinto, por delante de Lewis Hamilton de Ferrari y Pierre Gasly de Alpine.
El cuatro veces campeón del mundo de Red Bull, Max Verstappen, que había ganado en Japón los últimos cuatro años, ha terminado octavo tras salir undécimo en la parrilla.
Antonelli se había convertido en el poleman más joven de la historia de la F1 en China y de nuevo partía desde la primera posición.
Pero ha sufrido una salida desastrosa y ha caído hasta la sexta plaza en la primera curva.
Piastri ha tomado el liderato por delante de Leclerc, mientras Norris, Russell y Hamilton también superaban a Antonelli.
"Es un aspecto en el que tengo que trabajar mucho porque claramente no es suficiente," ha reconocido Antonelli.
"Solo me estoy complicando mucho la vida."
El joven italiano ya había recuperado parte del terreno perdido cuando un accidente del piloto de Haas, Ollie Bearman, ha provocado la salida del coche de seguridad durante la ventana de paradas en boxes.
Piastri ya había parado, pero Antonelli ha podido entrar a cambiar neumáticos justo después de que saliera el coche de seguridad y ha salido por delante del australiano, una jugada afortunada que le ha dado la victoria.
"He tenido mucha suerte con el momento en que ha salido el coche de seguridad," ha admitido Antonelli.
Bearman ha salido del coche por su propio pie, aunque cojeando visiblemente, mientras los comisarios le ayudaban a abandonar la pista.
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