Nació en Laon, alrededor de 1600, y está considerado el mayor de los tres hermanos Le Nain, que, junto con Antoine, eran Louis y Mathieu. De sus estudios sólo sabemos que los tres fueron formados por un «artista extranjero». Ninguna de las obras de la época de Laon ha llegado a nuestros días, pues un gran número se perdieron en 1793, durante el reinado del Terror de la Revolución francesa. Los hermanos se trasladaron a París después de 1629, estableciéndose en el barrio de Saint-Germain-des-Prés, donde abrieron un taller. Este estudio pronto adquirió una sólida reputación, especialmente en el género del retrato, recibiendo un buen número encargos, lo que llevó a los artistas a tomar enseguida aprendices a su cargo. Antoine fue admitido en 1629 como maestro en la corporación de pintores de Saint-Germain-des-Prés, y en 1632 le fue encargado el tradicional retrato de grupo de los ocho miembros del municipio, lo que le valió el titulo de pintor de la villa de París. Los tres hermanos fueron testigos de las primeras reuniones de la nueva Real Academia de Pintura y Escultura, en marzo de 1648, siendo admitidos como miembros fundadores. Dos meses después Antonie y Louis murieron y fueron enterrados en la iglesia de Saint Sulpice de París.

Tradicionalmente se han atribuido a Antoine cuadros de pequeño formato y retratos. Obras reducidas, la mayoría sobre cobre, y en ellas se representan grupos de figuras, casi siempre familias burguesas en el entorno de sus hogares, y en algún caso familias de campesinos.