Italianul, în vârstă de 18 ani și 224 de zile, a condus timp de 10 tururi pe pneuri medium, după ce ceilalți au intrat la boxe, și apoi a stabilit cel mai bun timp pe tur, de un minut 30,965 secunde, pe pneuri hard pe circuitul Suzuka.
Antonelli a terminat cu un loc în fața septuplului campion mondial Lewis Hamilton, al cărui loc la Brackley l-a luat atunci când britanicul în vârstă de 40 de ani s-a alăturat echipei Ferrari.
"Nu a fost rău. Ceea ce mă bucură cel mai mult astăzi este încrederea pe care am avut-o în mașină și încrederea de a forța, pe care nu am avut-o vineri și la începutul zilei de sâmbătă", a declarat Antonelli, care a avut dificultăți în antrenamente, pentru televiziunea Sky Sports.
"A fost destul de surprinzător să obțin cel mai rapid tur, dar cu siguranță sentimentul pe care l-am avut în mașină este cel mai important... Am fost capabil să explorez limita, să forțez și să mă joc și cu mașina.
"Este o experiență bună pentru data viitoare."
Antonelli a reușit să înregistreze timpi de tur constanți, ritmul îmbunătățindu-se în aer liber pe măsură ce alerga mai mult în primul stint și prindea mașinile din față înainte să rămână fără timp.
"A fost, de asemenea, un sentiment plăcut să conduc cursa pentru câteva tururi și să devin cel mai tânăr pilot din istoria F1 care a reușit acest lucru. Următorul obiectiv este să fac asta în singurul tur care contează: ultimul", a spus el.
Precedentul autor al celui mai rapid tur a fost Max Verstappen, cu Red Bull în Brazilia, în 2016, la vârsta de 19 ani și 44 de zile.
Verstappen, câștigătorul cursei pentru Red Bull din pole position duminică, deține încă recordul pentru cel mai tânăr câștigător de Grand Prix, la 18 ani și 228 de zile, iar Suzuka a fost ultima șansă a lui Antonelli de a bate acest record.