Leonardo Antonelli est secrétaire du Collège des cardinaux et assesseur de la Sacrée congrégation de l'inquisition romaine et universelle. Le pape Pie VI le crée cardinal lors du consistoire du 24 avril 1775. Il est nommé préfet de la Sacrée congrégation pour la propagation de la foi en 1780. En 1784 et 1785, il est camerlingue du Collège des cardinaux. En 1785, il est élu membre associé libre de l'Académie royale des inscriptions et belles lettres. En 1795, il est nommé préfet du tribunal suprême de la Signature apostolique jusqu'à sa mort. En 1795, il est préfet de la Congrégation de l'Index puis en 1800, il devient secrétaire de la Sacrée congrégation de l'inquisition romaine et universelle jusqu'à sa mort. De 1801 à 1810, il est Grand pénitencier. En 1807, il est nommé cardinal-évêque d'Ostie et devient ainsi doyen du Collège des cardinaux primus inter pares. Le cardinal Antonelli est exilé de Rome en 1809 par les autorités françaises et s'enfuit vers Spolète et puis vers Senigallia, sa ville natale, où il meurt le 23 janvier 1811, à l'âge de 80 ans.