Антуан-Оливье и его сестра Ариана Элизабет довольно рано проявили интерес к актерской профессии. Они подписали контракт с агентством, и скоро Пилон уже снимался в рекламе для канадского телевидения. На тот момент ему было 12 лет. Через год он снялся сразу в двух фильмах - в «Дрожи холмов» Ричарда Роя и «И все же Лоуренс» Ксавье Долана. Сотрудничество с актером и режиссером Ксавье Доланом оказалось настолько продуктивным, что они продолжили работать вместе. В 2013 году Долан снял Пилона в клипе для группы «The Indochine». Видео оказалось таким необычным и шокирующим, что его даже запретили показывать на некоторых каналах. За роль в фильме «Дрожь холмов» Пилон получил американскую награду «Young Artist Award» как лучший актер иностранного кино.
В 2012-2013 годах Антуан-Оливье Пилон активно снимался в канадских сериалах. Он исполнил главную роль в сериале «Les Argonautes», снялся в двух сезонах молодежного сериала «Tactik» и в короткометражке «Le Siège».
Сотрудничество к Ксавье Доланом оказалось для молодого актера судьбоносным. Главная роль в фильме «Мамочка», который вышел на экраны в 2014 году, принесла Пилону мировую известность. Фильм о непростых отношениях матери и сына получил приз жюри Каннского кинофестиваля в 2014 году. Эту драму высоко оценили не только кинокритики, но и зрители по всему миру.
