Vestendo l'abito dei frati Minori e cambiando il nome in quello di Antonino, compì l'anno di noviziato presso il convento di Santa Maria della Spineta, frazione di Fratta Todina. Venne ordinato sacerdote a Carpineto Romano il 13 giugno 1865, avendo come padrino il conte Giovanni Battista Pecci, fratello del cardinale Gioacchino, ancora per alcuni anni arcivescovo in Perugia, prima di essere eletto papa col nome di Leone XIII.

Il legame di padre Antonino Fantosati e la famiglia Pecci, compreso papa Leone XIII, rimase anche dopo la sua partenza come missionario in Cina. Dopo un colloquio con padre Bernardino da Portogruaro, ministro generale dei frati Minori, partì missionario per la Cina, una terra di una lunga tradizione di presenza francescana, come dimostra la consacrazione nel 1310 circa di Giovanni da Montecorvino come primo arcivescovo dell'attuale Pechino. Assieme ad Antonino vi erano altri frati, tra i quali padre Elia Facchini, che moriranno martiri e verranno beatificati il 29 novembre 1946 da papa Pio XII e canonizzati da papa Giovanni Paolo II il 2 ottobre 2000. Alcune reliquie - tra cui un frammento di osso donato dal beato padre Gabriele Allegra - sono conservate presso il Santuario della Porziuncola.