Ele viveu e trabalhou em Roma, durante a maior parte de sua vida e trabalhou quase exclusivamente a serviço de vários papas. Com a morte de Bramante, em 1514, assume a direção das obras, seu tio Giuliano, mas com a morte deste em 1516, assumiu Rafael a direção do canteiro de obras da Basílica de São Pedro e em 1520, com a morte deste último, Antônio finalmente foi nomeado o primeiro arquiteto do edifício
Fez muitas obras em Roma durante esse período. Antônio de Sangallo foi mestre instrutor do arquiteto Juan Bautista de Toledo, que pouco depois iria levar o renascimento à Espanha, sob o reinado de Felipe II.
Antônio foi nomeado pelo Papa Paulo III arquiteto de todas as obras papais em 1536. Em seguida, no final dos anos trinta, ele era o único grande arquiteto a atuar em Roma.