После окончания театрального института, Антон получил заманчивое предложение работать в Рижском театре имени А.П. Чехова. Проработав там год, он был вынужден вернуться в Россию, так как в Латвии его обокрали, а для восстановления документов необходимо было ехать в родной город.
Вернувшись в Питер, он получил сразу несколько предложений от ведущих театров и принял решение остаться, но в 2010 году переехал в Москву, приняв приглашение учебного театра «На Моховой». Покорив театральную сцену этого театра, Васильев стал появляться в антрепризах, на сцене Театра на Литейном, в «Мюзик-холле», в МХТ имени А. П. Чехова и других.
Впервые Антон Васильев появился в роли капитана милиции Павла Семенова в детективном сериале «Невский». Сериал получил восторженные отзывы критиков и зрителей, а персонаж Антона получился настолько честным и правдоподобным, что режиссеры приняли решение снимать второй и последующие сезоны сериала: «Невский. Проверка на прочность» и Сериал Невский. Охота на Архитектора и другие.
В 2016 году вышла картина, режиссером которой выступил Кирилл Серебренников, в ней Антону досталась роль второго плана, однако актер считает, что это был один из сложных и интересных проектов, в которых ему довелось участвовать. 
В 2018 год выдался для Антона весьма насыщенным, помимо участия в театральных постановках, он был задействован в драматическом сериале «Живая мина», которая рассказывает о непредсказуемой работе саперов, «Звоните ДиКаприо!» - сериалу, снятому Жорой Крыжовниковым. 
Интересным опытом стали съемки в картине «Мастер» про участников гонки КамАз Мастер, для этого актеру пришлось приехать в город Набережные Челны, где построен автогигант завод КамАЗ.
Во время пандемии, когда к Антону пришел сценарий детективного сериала «Хрустальный», то он отказался: «Мне прислали сценарий в самом начале карантина. Я неважно себя чувствовал, к тому же тогда непонятно было, что это за вирус, настроения были тревожные, беспокойно было. И в этот момент мне приходит сценарий, где на первой странице мертвый изнасилованный ребенок… Я сценарий открыл — и сразу закрыл. Решил, что это уже перебор. Позже Душан настоял на встрече в Zoom: он был удивлен, что я не нашел этот сценарий интересным. Я ответил, что следователей уже наигрался и мне категорически не нравится такой прямой ход – мертвые дети. Почему в этом сценарии убивают детей, а не женщин или стариков? Что изменится, если поменять жертв? На что Душан ответил: «Все изменится кардинально - ты прочти целиком и поговорим». Я благодарен ему за то, что он настоял и не дал мне совершить огромную ошибку». 
Таким образом Антон Васильев сыграл гениального следователя, взявшегося за раскрытие преступлений, прокатившихся волной по городу «Хрустальный».  В 2021 году сериал вошел в тройку самых популярных и просматриваемых.

Актер счастливо женат на Алле Прохоровой, у них подрастают двое прекрасных дочерей. Известно, что супруга Антона далека от актерской среды и старше его на 11 лет.

В настоящее время актер всецело задействован на съемках. В 2023 году вышел мелодраматический сериал «Открытый брак», где партнершей и экранной женой выступила Марина Александрова. В сериале они пытаются спасти свой брак, разбившийся о рутину, недопонимания, обиды и измены, путем перехода на открытые отношения.