Segni toimi aluksi oikeustieteen professorina useissa yliopistoissa. Toisen maailmansodan aikana hän osallistuiSardinian vapautuskomitean toimintaan ja oli vuodesta 1944 Sardinian edustaja Italian perustuslakia säätävässä komiteassa. Segni toimi muun muassa maa- ja metsätalousministerinä, opetusministerinä, puolustusministerinä, sisäministerinä ja ulkoministerinä useissa eri hallituksissa vuosina 1946–1962 jaItalian pääministerinä kahteen otteeseen vuosina 1955–1957 ja 1959–1960.[1]
Hänet valittiinItalian neljänneksi presidentiksi toukokuussa 1962, mutta hän joutui eroamaan presidentinvirasta kesken toimikautensa vuoden 1964 joulukuussa sairastuttuaan aivoveritulppaan elokuussa 1964. LehtimiesLino JannuzzinL’Espresso-lehdessä vuonna 1967 julkaisemasta artikkelista paljastui että veritulppa oli tapahtunut vähän sen jälkeen kun ensimmäiset tiedot presidentin osallisuudesta kenraaliGiovanni De Lorenzon vallankaappaussuunnitelmaan (ns. "Piano Solo") heinäkuussa 1964 olivat vuotaneet julkisuuten.[2] Segnin ollessa sairauden vuoksi estyneenä tasavallan presidentin tehtäviä hoiti senaatin puheenjohtajaCesare Merzagora viiden kuukauden ajan, kunnes uusi presidenttiGiuseppe Saragat astui virkaan.
Antonio Segni oli presidenttikautensa jälkeen Italian senaatin elinikäinen jäsen ja kuoli Roomassa vuonna 1972 kahdeksankymmenenyhden vuoden iässä.