Nipote di Giovanni Giolitti, discusso statista liberale del periodo prefascista, Antonio venne in contatto nel 1940 con l'organizzazione comunista. Tenuto d'occhio dalla polizia fascista, l'anno successivo fu arrestato e deferito al Tribunale speciale, che però lo assolse per insufficienza di prove. Ripresa l'attività clandestina, nella primavera del 1943 Antonio Giolitti, per incarico del Partito comunista, entra in contatto con numerose personalità militari e politiche, allo scopo di realizzare un'intesa per abbattere il regime fascista. L'8 settembre del 1943 Giolitti si trova nel Cuneese, provincia d'origine della famiglia, e con Giancarlo Pajetta, Ludovico Geymonat e Pompeo Colajanni organizza, a Barge, il primo nucleo partigiano delle future brigate d'assalto Garibaldi del Piemonte. Nel settembre dell'anno dopo, quando è commissario politico della 1a Divisione Garibaldi delle Valli di Lanzo, Giolitti è gravemente ferito in combattimento. Trasportato in Francia per esservi curato, riesce a tornare in Italia soltanto alla Liberazione.
Nel dopoguerra si dà subito all'attività politica: sottosegretario agli Esteri nel governo Parri, deputato comunista alla Costituente, eletto alla Camera nella lista del PCI nel 1948 e nel 1953, nel 1957 lascia il Partito comunista ed aderisce al PSI. Antonio Giolitti è stato ininterrottamente deputato sino al 1985; è stato anche ministro del Bilancio nel primo governo Moro ed ha fatto parte del terzo Gabinetto Rumor e del governo Colombo. E' stato pure, per quattro anni, membro della Commissione esecutiva della CEE a Bruxelles.
Nel 1987, riavvicinatosi al PCI, è stato eletto senatore, come indipendente di sinistra, nella lista del suo partito d'origine. Alla fine della legislatura si è ritirato dalla vita parlamentare. Antonio Giolitti ha scritto importanti saggi politici e, nel 1992, ha pubblicato presso Il Mulino un volume di riflessioni e ricordi.