Fuoco begann seine Motorsportkarriere im Alter von vier Jahren<ref name="PS">Peter Allen: “Ferrari’s bright spark: Antonio Fuoco”. paddockscout.com, 10. Oktober 2013, abgerufen am 27. Januar 2014 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> im Kartsport, in dem er bis 2012 aktiv blieb. Unter anderem wurde er 2010 italienischer KF3-Vizemeister und 2012 Dritter der KF2-WSK Euro Series<ref name="Kart">Peter Allen: “Fuoco joins Ferrari Driver Academy, Maisano out”. paddockscout.com, 21. Dezember 2012, abgerufen am 27. Januar 2014 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> sowie Vierter der CIK-FIA-Europameisterschaft.<ref name="PS"/> 2013 erfolgte Fuocos Einstieg in den Formelsport. Er wurde zu Beginn des Jahres in der Ferrari Driver Academy aufgenommen, nachdem er auf der Pista di Fiorano den neuen Streckenrekord eines Formel Abarth aufgestellt hatte.<ref name="PS"/><ref>“Antonio Fuoco”. ferrari.com, abgerufen am 27. Januar 2014 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> Sein Formelsport-Debüt gab Fuoco in der Winterserie der Panam GP Series, die in Nordamerika stattfand. Er gewann ein Rennen und wurde Vizemeister dieser Serie. Anschließend erhielt Fuoco beim Prema Powerteam ein Cockpit für die alpine Formel Renault. In dieser entschied Fuoco sechs Rennen für sich, stand bei 14 Rennen insgesamt elfmal auf dem Podium und gewann damit auf Anhieb die Meisterschaft. Darüber hinaus absolvierte er zwei Gaststarts im Formel Renault 2.0 Eurocup, wobei er eine Pole-Position erzielte.
Anfang 2014 ging Fuoco erneut in Nordamerika an den Start und trat in der Florida Winter Series an. Fuoco gewann vier Rennen und war der Fahrer mit den besten Einzelplatzierungen. Anschließend kehrte Fuoco nach Europa zurück und nahm für das Prema Powerteam an der europäischen Formel-3-Meisterschaft2014 teil.<ref>Marcus Simmons: “Ferrari protege Antonio Fuoco to race in F3 European championship”. autosport.com, 20. Januar 2014, abgerufen am 27. Januar 2014 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> Er gewann gleich bei seinem Saisonauftakt in Silverstone ein Rennen und wurde mit einem weiteren Sieg und insgesamt zehn Podest-Platzierungen Gesamtfünfter. Sein Teamkollege Esteban Ocon gewann den Meistertitel.
2015 wechselte Fuoco zu Carlin in die GP3-Serie.<ref>Peter Allen: Ferrari protege Antonio Fuoco joins Carlin for GP3 move. paddockscout.com, 23. Januar 2015, abgerufen am 18. März 2015 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> Mit zwei zweiten Plätzen als beste Resultate schloss er die Saison als bester Carlin-Fahrer auf dem sechsten Gesamtrang ab. Darüber hinaus nahm er für die Scuderia Ferrari erstmals an Formel-1-Testfahrten teil.<ref>Sven Haidinger: Spielberg-Test: Debütant Fuoco beschädigt Ferrari bei Crash. Motorsport-Total.com, 23. Juni 2015, abgerufen am 2. Februar 2016.</ref> 2016 absolvierte Fuoco seine zweite GP3-Saison für Trident.<ref>Gruz David: Trident sign Fuoco and Alesi to lead four-car GP3 lineup. paddockscout.com, 1. Februar 2016, abgerufen am 1. Februar 2016 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> Er gewann zwei Rennen und stand insgesamt achtmal auf dem Podium. Er verbesserte sich auf den dritten Platz in der Meisterschaft.
2017 erhielt Fuoco ein Cockpit bei Prema Racing in der FIA-Formel-2-Meisterschaft.<ref>Mitchell Adam: Ferrari F1 juniors Leclerc and Fuoco to Prema in GP2 for 2017. autosport.com, 28. November 2016, abgerufen am 25. Februar 2017 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> Mit einem Sieg und vier dritten Plätzen erreichte insgesamt fünf Podestplatzierungen. In der Fahrerwertung belegte er den achten Platz. 2018 wechselte er innerhalb der Formel 2 zu Charouz Racing System.<ref>Valentin Khorounzhiy: F2 newcomer Charouz signs Fuoco, Deletraz. motorsport.com, 14. Dezember 2017, abgerufen am 30. April 2018 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> Er gewann 2 Rennen und beendete die Saison auf dem siebten Platz.