Salito per la prima volta su una minicross a quattro anni, Antonio esordisce all'età di sette anni nel minicross, dove vince ripetutamente titoli regionali e, nel 1999, il titolo seniores. Gareggia poi in seguito in tutte le categorie successive: élite, cadetti ed Europeo85. Nel 2001 arriva alla categoria 125, dove vince il titolo regionale e nazionale cadetti. Dal 2003esordisce nel FIM Motocross World Championship, ottenendo i suoi primi risultati importanti nel 2004, quando vince una gara (a Loket, in Repubblica Ceca) e arriva 3º in classifica finale. L'anno successivo (2005) giunge 2º nel campionato italiano 125, ma si laurea campione mondiale nella classe MX2, nonostante l'infortunio patito nel Gran premio d'Olanda sul circuito di Lierop.

Nel 2006 si classifica al secondo posto nel mondiale MX2 dietro al francese Christophe Pourcel. Sempre nel 2006 si laurea Campione Europeo SuperCross e primo assoluto negli Internazionali d'Italia nella classe MX2, nello stesso anno durante il Gran Premio delle Nazioni disputato in Inghilterra con la maglia azzurra della rappresentativa italiana, ottiene una vittoria di manche davanti ai più accreditati piloti statunitensi.

Nel 2007, Cairoli domina il mondiale dall'inizio alla fine, conquistando quasi tutte le gare in programma e vincendo il titolo con due gare d'anticipo il 19 agosto. In seguito, la sua scuderia gli chiede di partecipare a una gara del mondiale MX1 per permettere alla Yamaha di conquistare il titolo costruttori data l'assenza di Joshua Coppins per infortunio, ottiene così una vittoria nel GP del Regno Unito il 26 agosto. Al termine della stagione 2007 è convocato nella nazionale italiana al Motocross delle Nazioni in terra americana al fianco di David Philippaerts, Davide Guarneri e Salvini.

Dalla stagione 2008 la sua moto veste i colori blu Yamaha, sotto lo sponsor Red Bull. Nel corso del 2008, Cairoli si infortuna al ginocchio così termina la stagione senza poter riuscire a difendere il suo titolo di campione del mondo. Al momento dell'infortunio, avvenuto prima dell'estate, era in testa alla classifica generale.

Nel 2009 inizia la sua prima stagione in MX1, vincendo la seconda gara della stagione. Si aggiudica il campionato del mondo MX1 il 30 agosto dopo la gara di Lierop nei Paesi Bassi, con una gara di anticipo sul diretto rivale Maximilian Nagl, pilota ufficiale della KTM. Subito dopo la stagione agonistica 2009 entra a far parte del team KTM con gran parte dello staff che lo ha seguito nella stagione appena conclusasi. Nel 2010 Cairoli gareggia con la nuova KTM SXF 350 nel mondiale di motocross categoria MX1.

Vince il titolo mondiale nella categoria MX1 anche nell'anno 2010 e nell'anno 2011.

Il 9 settembre 2012 Cairoli vince il suo quarto Mondiale di Motocross consecutivo nel GP di Faenza. Con questa vittoria Tony raggiunge il sesto titolo mondiale in carriera.

Il 25 agosto 2013, sull'ampio tracciato del circuito del GP d'Inghilterra, disputato a Matterley Basin, nei pressi della cittadina di Winchester (Contea di Hampshire) caratterizzato dal fondo in terra morbida e realizzato su un'area abitualmente dedita al pascolo, Antonio Cairoli conquista il suo Quinto titolo mondiale di Motocross consecutivo nella classe MX1. Con questo suo ennesimo trionfo, Tony consegue il suo settimo sigillo mondiale.

Apre il 2014 con un terzo posto nel GP del Qatar (2° in Gara 1 e 3° in Gara 2). La prima vittoria dell'anno, giunge il 9 marzo nel GP della Thailandia, nella quale vince entrambe le manche, piazzandosi davanti a Desalle e a Van Horebeek. Grazie a questo risultato, raggiunge quota 40 successi nella Classe Regina. Si ripete il 30 marzo successivo aggiudicandosi entrambe le manche, e quindi la vittoria, nel GP del Brasile. Il 13 Aprile non brilla nel primo dei 2 GP italiani del Circuito Mondiale. Ad Arco di Trento non va oltre il 6º Posto nella Prima Manche ed il 4° nella Seconda. Al termine della prova si aggiudicherà "solo" il 5º Posto. Il Campione Siciliano si concede una sontuosa rivincita la settimana seguente. Il 20 Aprile, a Sevlievo, in occasione del GP di Bulgaria, centra infatti la Piazza d'Onore nella Prima Manche e trionfa nella Seconda, aggiudicandosi il Gran Premio e ribadendo la propria indiscussa Leadership in Classifica Generale. Il 4 Maggio, a Valkenswaard (Olanda) nel sesto appuntamento stagionale, Tony torna a ruggire. Terzo nella prima manche (che stava dominando fino al penultimo giro, nel corso del quale doveva rallentare, complice un guasto meccanico) e primo nella seconda, si aggiudica il Gran Premio dei Paesi Bassi, incrementando sensibilmente il suo vantaggio nei confronti degli immediati inseguitori. L'11 Maggio, a Tavalera de la Reina, nel corso del Gran Premio di Spagna, Settimo appuntamento del Mondiale, Tony resta in ombra in Gara 1, dove giunge sesto al traguardo, mentre in Gara 2 si aggiudica la Seconda piazza. I suoi immediati inseguitori riducono il distacco. Il 25 Maggio, a Matterley Basin, nel Gran Premio del Regno Unito (in un periodo di grande difficoltà emotiva per il Campione Siciliano, in considerazione della recente scomparsa del padre Benedetto) Tony trionfa in Gara 1 e conquista il Secondo posto in Gara 2, aggiudicandosi con questo Gran Premio, il 44° in Carriera, nella Classe Regina.

Fin dal suo esordio, gareggia con il numero 222