Figlio di Carlo Barberini e di Costanza Magalotti, nacque a Roma il 5 agosto 1607.
Nominato cardinale di S. Maria in Aquiro dallo zio Urbano VIII nel 1628. Durante il pontificato di Urbano VIII (1623-1644) ebbe numerosi incarichi tra cui quello di prefetto del supremo tribunale della Segnatura Apostolica, Arciprete della Basilica Liberiana di Santa Maria Maggiore, Governatore di Perugia e dell'Umbria e comandante supremo dell'esercito pontificio.
Nel 1644 partecipò al conclave che elesse Innocenzo X. Il nuovo papa ordinò indagini sull'operato di Antonio Barberini durante il pontificato di Urbano VIII e nel 1645 il cardinale ritenne opportuno cercare rifugio in Francia con il fratello Taddeo. Accolti da Luigi XIV e dal ministro Giulio Mazzarino, si trattennero in Francia fino al 1653 quando il Barberini si riconciliò con il papa e tornò a Roma dove fu reintegrato in tutti i suoi titoli, ma mutò profondamente i propri costumi abbandonando la politica e dedicandosi esclusivamente alla religione.
Partecipò al conclave del 1655 che elesse Alessandro VII, a quello del 1667 che elesse Clemente IX e a quello del 1669-1670 che elesse Clemente X.
Morì a Nemi il 3 agosto 1671.
Mecenate e collezionista, ebbe nella sua raccolta opere del Caravaggio e del Correggio.