Canódromo por Antoni Bonet i Castellana. Nuevo diseño del interior del edificio por Dear Design

Comenzó su carrera profesional junto a los arquitectos Josep Lluís Sert y Torres Clavé, con quienes ayudó a fundar el MIDVA (Muebles y Decoración para la Vivienda Actual). En 1933 Antonio Bonet viajó en el Patris II de Marsella a Atenas para asistir al IV Congreso CIAM (Congreso Internacional de Arquitectura Moderna) como estudiante asociado al grupo GATEPAC (Grupo de Artistas y Técnicos Españoles para el Progreso de la Arquitectura Contemporánea), participando de sus actividades. El viaje que terminaría en Atenas (donde se fotografiaría frente a las ruinas del Partenón, con sus compañeros, Josep Lluís Sert y Josep Torres Clavé) le dio la oportunidad de contactar con los principales protagonistas del Movimiento Moderno. 

En 1936, coincidiendo con el inicio de la Guerra Civil, apenas finalizados sus estudios de arquitectura, viajó a París, donde comenzó a trabajar en el estudio de Le Corbusier. Allí participaría como estudiante en el montaje del Pabellón de la República Española, proyectado por Josep Lluís Sert y Luís Lacasa, en la Exposición Internacional de París (1937). El pabellón será un reflejo de participaciones extraordinarias  entre las que cabe destacar las de Pablo Picasso, Joan Miró, Julio González, Alberto Sánchez y Alexander Calder. Picasso tendrá un espacio privilegiado pensado para mostrar el cuadro del «Guernica» con unas dimensiones murales de 349,3 x 776,6 cm. Ese mismo año tiene la oportunidad de asistir al V Congreso CIAM.

Durante aquellos años en París participará en el desarrollo de proyectos de Le Corbusier, como las Maisons Jaoul (1937) o el Pabellón del Agua para la Exposición Internacional de Lieja (1938) y conocerá al arquitecto y pintor chileno Roberto Matta.

En 1938, Bonet, en plena Guerra Civil española, decide emigrar al Río de la Plata, exiliándose en Argentina, donde vivió durante décadas, alternando su residencia entre Argentina y Uruguay (en especial en Punta Ballena). Siguiendo el espíritu del GATEPAC, fundó el Grupo Austral con dos de sus compañeros conocidos en el estudio de Le Corbusier, Juan Kurchan y Jorge Ferrari-Hardoy. Con ellos mantiene una intensa actividad en la difusión de los principios de la Arquitectura Moderna, a través de diferentes manifiestos de vanguardia y publicaciones.

Una de estas expresiones paradigmáticas de los principios del Movimiento Moderno cristalizaría en 1938 con la creación del mítico sillón BKF (bautizado con las siglas de los apellidos de sus autores Antonio Bonet, Juan Kurchan y Jorge Ferrari Hardoy), premiado desde muy temprano en muestras de interiorismo en Buenos Aires en 1940, y recibiendo el Primer Premio en el Primer Salón de Artistas Decorativos de e1943. Actualmente presente en la colección permanente del MoMA de Nueva York desde 1950, aunque la autoría del mismo esté finalmente asignada al argentino Jorge Ferrari Hardoy.

En 1943, Bonet fundó el Grupo OVRA (Organización de la Vivienda Integral en la República Argentina), en el que actuó como secretario, y en 1957 fundó la revista Mirador, órgano difusor del arte y la ciencia modernos. Su producción americana abarca desde el diseño de mobiliario hasta el urbanismo, incluyendo planes como la Reconstrucción de San Juan (1944), la Urbanización de Punta Ballena (1945–1948), la Urbanización del Bajo Belgrano en Buenos Aires (1948) y el Plan Sur de Buenos Aires (1956), en los que introdujo el pensamiento racionalista en propuestas de carácter orgánico.

Entre su obra construida, sobresale la Casa de Estudios para Artistas, un edificio en equina entre las calles Paraguay y Suipacha, Buenos Aires, proyectado y terminado entre 1938 y 1939, en colaboración con Abel López Chas y Alejandro Vera Barros. El edificio es considerado un manifiesto de una arquitectura excepcional, una obra catalogada por muchos como racionalista, orgánica y surrealista, por su innovadora combinación de bóvedas tabicadas (cuyo tratamiento escultorico había sido ensayado en las Maisons Jaoul), elementos de tradición popular como los pavimentos de cerámica, taburetes y objetos de fibras naturales, que dialogan por todo el edificio con materiales modernos. El ático del edificio sería el hogar de Bonet en Buenos Aires hasta 1941.

En 1941, realizó el conjunto de casas en Martínez, en colaboración con Peluffo y Vivanco, a las que siguen la casa Daneri (1944), con Zalba, y numerosas viviendas en la urbanización de Punta Ballena, entre ellas las casas Berlingieri, Cuatrecasas, Booth y La Rinconada, además del restaurante La Solana del Mar, obra central de este periodo. Construyó también La Gallarda (1945), casa para Rafael Alberti en Punta del Este, y la casa Oks en Buenos Aires (1953), además de edificios singulares como el Terraza Palace, en Mar del Plata (1957), y la Galería de las Américas, en Córdoba (1958).

Su regreso a España sería paulatino y estuvo precedido por su asistencia como delegado uruguayo-argentino al VII Congreso del CIAM, celebrado en Bérgamo, Italia, en 1949. Allí presentará la conferencia: «Nuevas precisiones sobre arquitectura y urbanismo». La conferencia la ilustra con diapositivas y una película documental: «La ciudad frente al río» (1948), realizada por Enrico Gras, donde se mostraba el Conjunto Habitacional Bajo Belgrano de Buenos Aires (1949).

Desde Argentina proyectó la Casa Mur en Barcelona (1944) y, posteriormente, la vivienda unifamiliar La Ricarda, en El Prat de Llobregat (1949–1963), por la que premio extraordinario FAD (1958–1978). Abrió estudio en Barcelona y Madrid a partir de 1959 (la casa Rubio en Cap Salou, Tarragona, es de 1959) colaborando habitualmente con Josep Puig Torné, lo que le aportaría un gran volumen de encargos en España que facilitan que termine instalándose definitivamente en España en 1963. Sus obras que incluyen el urbanismo se concentran en el arco mediterráneo, Málaga, Murcia, Tarragona, Barcelona y Gerona. Tras su regreso, Bonet es considerado un arquitecto de prestigio y en 1960, el Museo de Arte Contemporáneo de Barcelona, a cargo de Alexandre Cirici-Pellicer, organizó una exposición de su obra.

Entre 1960 y 1965 proyectó, con Puig Torné, el complejo residencial Pine Beach, en Gavà Mar, por encargo de la sociedad FAESA de la familia Guardans Cambó, un ejemplo de arquitectura racionalista vinculada a los principios de la Bauhaus y del GATEPAC. En Cataluña realizó una amplia producción que abarca desde viviendas unifamiliares —como las casas Rubió, Castanera, Cruylles y Rubio— y conjuntos residenciales, hasta bloques de viviendas y obras singulares como el Canódromo de la Meridiana (1962), Premio FAD 1963, el Centro de Recuperación para la Mutua Metalúrgica de Cataluña, en Cambrils (1970), y diversos proyectos de urbanización turística y propuestas urbanas radicales para el urbanismo de Barcelona, como el Plan de Montjuïc (con Bohigas y Martorell) y el Plan de la Ribera (1964).

En Madrid desarrolló obras de gran relevancia, entre ellas el edificio con el primer muro cortina realizado en España, el Banco de Madrid, en la Carrera de San Jerónimo (1959), varios edificios de viviendas, el Barrio Retiro II (1971) y el Consejo General de Médicos —actual Tribunal Constitucional—, en colaboración con Francisco González Valdés, proyectado en 1973. Este último se construiría entre 1975 y 1980, año en el que se inaugura finalmente como sede del Tribunal Constitucional

Consideraba la arquitectura como una materia ordenadora en la vida del hombre y creía que la actividad del arquitecto se extendía desde la concepción de un mueble hasta el planeamiento de una ciudad. Una de sus constantes fue el esfuerzo por integrar las diversas escalas del hábitat humano, investigando nuevos materiales y formas para conseguir espacios arquitectónicos y objetos al servicio de la sociedad.