Получила актерское образование в 1954 году в Театральном училище имени Щукина. После окончания учебы была зачислена в труппу Центрального детского театра, в котором проработала до 1964 года. Затем она стала выступать на подмостках Московского театра имени Ленинского Комсомола. А в 1967 году перешла в Театр на Малой Бронной.
Многочисленные коллеги по сцене вспоминают о ней как об удивительной творческой личности, которая не только талантливо воплощала на сцене различные образы, но и была наделена способностью тонко чувствовать зал, налаживать контакт со зрителем во время спектакля, давая каждому сидящему в зале включиться в действо.
Работая в Театре на Малой Бронной, Антонина Дмитриева встретила одного из главных людей в своей жизни Анатолия Эфроса, который стал не только ее художественным руководителем, но и духовным наставником.
Что касается кинокарьеры актрисы Дмитриевой, стоит отметить, что она также бурно развивалась, как и театральная. После участия в фильме «Друг мой, Колька» (1961 год), она снялась более чем в 40 картинах. В ее фильмографии есть такие киноленты, как «Трудные дети» (1963), «Председатель» (1964), «Верность» (1965), «Зигзаг удачи» (1968), «Городской романс» (1970), «Задачка» (1971), «Следствие ведут ЗнаТоКи» (1972, 1985), «Платон Кречет» (1972), «Всего несколько часов в честь господина де Мольера» (1973), «Свадьба как свадьба» (1974), «Ночь ошибок» (1975), «Любовь Яровая» (1977), «Месяц длинных дней» (1979), «Незнакомец» (1980), «Не ждали, не гадали» (1982), «Институт бабушек» (1984), «Простая смерть» (1985), «Трагедия в стиле рок» (1988), «Сердце не камень» (1989).
Народная артистка России Дмитриева снялась в 1999 году в своем последнем фильме «Дом для богатых», который вышел на экраны уже после ее смерти.
