Britanicul Russell a parcurs circuitul în 1 minut, 18.518 secunde, cu 0.293 secunde mai rapid decât italianul Antonelli, care a revenit după un accident grav în ultima sesiune de antrenamente de sâmbătă.
A fost primul pole pentru Mercedes la Melbourne de la cel obținut de Lewis Hamilton în 2019.
"A fost o zi excelentă, știam că mașina are mult potențial", a spus Russell.
"Mașina a prins viață cu adevărat în această după-amiază.
"Sunt foarte bucuros că și Kimi e aici... Per total, o zi destul de bună."
Antonelli așteaptă cu emoții confirmarea poziției sale, după ce mașina reparată a pierdut piese de la ventilatorul de răcire la începutul Q3, iar Norris a trecut peste una dintre ele, provocând împrăștierea resturilor și declanșând steagul roșu.
Comisarii investighează incidentul.
Isack Hadjar de la Red Bull va pleca de pe poziția a treia pe grilă în cursa de duminică, iar Charles Leclerc de la Ferrari va fi al patrulea.
Localnicul Oscar Piastri și campionul en-titre Lando Norris au ocupat locurile cinci și șase pentru McLaren.
"A fost o zi extrem de stresantă", a spus Antonelli despre accidentul său care a provocat steagul roșu în antrenamente.
"Dar băieții au fost adevărații eroi astăzi, reușind să pună mașina înapoi pe pistă."
Schimbările de șasiu și de unitate de putere au adus o curbă de învățare abruptă pentru piloți, accentuând importanța gestionării energiei și a regenerării.
Verstappen a avut probleme în prima sesiune de calificări, blocând roțile la primul viraj al primului tur rapid, a ieșit în pietriș și a lovit barierele.
Olandezul a înjurat la radio-ul echipei înainte să iasă nevătămat din mașină.
"Mașina a blocat pur și simplu puntea spate. Fantastic", a spus olandezul, care a terminat pe locul doi în campionatul de anul trecut.
Verstappen va pleca de la coada grilei sau din pit lane, în funcție de reparațiile efectuate.
De două ori campion mondial, Fernando Alonso de la Aston Martin a fost eliminat în Q1, la fel ca ambii piloți ai noii echipe Cadillac, Sergio Perez și Valtteri Bottas.
Co-echipierul lui Alonso, Lance Stroll, nu a putut participa în Q1, deoarece Aston Martin nu a avut timp să reconstruiască mașina după reparațiile de dimineață.
Pilotul Williams, Carlos Sainz, a ratat și el calificările.