Antoine Pesne zählte neben Georg Wenzeslaus von Knobelsdorff (1699-1753), Johann August Nahl (1710-1781) und Georg Friedrich Schmidt (1712-1775) zu den bedeutendsten Künstlern des friderizianischem Rokoko. Genauso kann er aber auch neben Antoine Watteau (1684-1721), Nicolas Lancret (1690-1743) und Francois Boucher (1703-1770) zu den wichtigsten Vertretern der französischen Rokoko-Malerei gezählt werden.

Seine erste Ausbildung erhielt er bei seinem Vater Jean Pesne (1623-1700), Professor an der Académie de St-Luc in Paris, und seinem Großonkel Charles de La Fosse (1636-1716), Hofmaler Ludwig XIV. und Direktor der Académie Royal.
Mit einem Stipendium der Académie reiste er 1705-10 für ein Studium nach Venedig, Neapel und Rom. Dort wurde er einige Jahre von Andrea Celesti (1637-1712) unterrichtet, der ihn besonders in seinem Frühwerk beeinflusste. Helle Blau-, Rot- und Gelbtöne, sowie Weiß, die in Kontrast zu braunroten Schatten stehen, erinnern an die Farbgebung der Werke Celestis. In dieser Zeit lernte er außerdem Jean Raoux (1677-1734) kennen.  
Bei seinem Aufenthalt in Rom heiratete er Ursule-Anne Dubuisson, Tochter des Blumenmalers Jean Baptiste Gayot Dubuisson (1660-1735).
1710 wurde er von König Friedrich I. als Hofmaler nach Berlin berufen und übernahm offiziell 1711 das Amt seines Vorgängers Augustin Terwesten (1649-1711).
Unter Friedrich I. war Pesne nur kurz tätig. Nach dessen Tod 1713 nahm ihn vorerst die Kronprinzessin Sophie Dorothea in Anspruch. 
König Friedrich Wilhelm I., der 1713 die Regierung antrat, begann das hochverschuldete Land zu reformieren. Dabei wurden zahlreiche Mittel für die künstlerische Kultur am Hof verringert. Viele der ansässigen Künstler verließen den Hof. Pesne jedoch blieb weiter im Dienst der königlichen Familie, obwohl er weniger Geld erhielt.
In den ersten 16 Regierungsjahren des sogenannten Soldatenkönigs wurde sein künstlerisches Talent, bis auf gelegentliche Aufträge durch die Kronprinzessin Sophie Dorothea, kaum in Anspruch genommen. Erst 1729 beauftragte ihn der König mit einem Portrait seiner selbst. Für Portraits von hochrangigen Offizieren und anderen Würdenträgern wurden eher bescheidenere Talente hinzugezogen, die dem französischen Einfluss in der Kunst weniger unterlagen. Dazu zählten unter anderem Friedrich Wilhelm Weidemann (1668-1750), Georg Lisiewski (1674-1750) und Johann Harper (1688-1746). 
Noch unter Friedrich I. vertraglich an den Hof gebunden, bekam Pesne nun die Freiheit auch auswärtige Arbeiten anzunehmen. Er arbeitete unter anderem für Leopold von Anhalt-Dessau und August den Starken.
1720 wurde er bei einem Paris-Aufenthalt an der Académie Royal aufgenommen.
Von dort reiste er weiter nach London.
Ab Ende der 1730er/ Anfang der 1740er Jahre war er am kronprinzlichen Hof in Rheinsberg  unter Friedrich dem Großen tätig. Dort arbeitete er gemeinsam mit Knobelsdorff, der 1730 noch ein Schüler von ihm gewesen war.
Beide wurden in dieser Zeit mit der Erweiterung von Schloss Charlottenburg, mit dem Bau von Sanssouci und mit der Neugestaltung des Potsdamer Stadtschlosses beauftragt. An Anlehnung an das Schloss Versailles wurde der Künstler vor allem mit Deckengemälde und großformatigen Wandgemälden beauftragt, was für ihn ein neben der Portraitmalerei ein neues Aufgabenfeld darstellte. Bei diesen Arbeiten orientierte er sich vor allem an den Werken von Antoine Watteau (1684-1721), der von Friedrich dem Großen sehr geschätzt wurde.
1746 erhielt er vom König ein Grundstück in. Berlin und die benötigten Materialien zum Hausbau, sodass er sich sein eigenes Heim bauen konnte.

Im Laufe der Jahre entstanden immer mehr Genre- und Historienbilder mit meist bildhaften Zügen. Dennoch bleibt er besonders für seine Portraits der königlichen preußischen Familie und Angehörigen des Hofstaates bekannt, die vor allem durch ihren erzählerischen Charakter und ihr psychologisches Einfühlungsvermögen hervorstachen.
Eine lebhafte Pinselführung waren für seine Werke typisch. 
In seinen späteren Werken wich er von der an Celesti orientierten Farbgebung ab und entwickelte eine lockere Handschrift. Seine Farbe setzte er nun häufiger in Tupfen auf und hielt sich vor allem im pastelligen Farbtonbereich auf.
Mit einer hoffnungsvollen Perspektive in seiner Malerei auf das Jahrhundert der Aufklärung beeinflusste er Künstler der nachfolgenden Generationen des 18. und 19. Jahrhunderts, wie Adolph von Menzel (1815-1905) stark.