Bei den Olympischen Spielen 1956 in Melbourne errang Antonio Domenicali die Goldmedaille in der Mannschaftsverfolgung, gemeinsam mit Leandro Faggin, Valentino Gasparella und Franco Gandini, im Finale mit neuem Welt- und olympischem Rekord (4:37,4 min). Im Jahr darauf wurde er Profi und fuhr fortan hauptsächlich Straßenrennen, jedoch ohne größere Erfolge. 1963 wurde er italienischer Meister im Steherrennen.