W 1946 został posłem do powołanej po II wojnie światowej konstytuanty (Assemblea Costituente della Repubblica Italiana), która działała do 1948. W tym samym roku został po raz pierwszy wybrany do Izby Deputowanych. W niższej izbie włoskiego parlamentu zasiadał nieprzerwanie do 1962 jako poseł I, II i III kadencji.
W kolejnych rządach Alcide De Gasperiego pełnił funkcję ministra rolnictwa i leśnictwa, wykonywał czasowo obowiązki ministra sprawiedliwości, a w 1951 został ministrem edukacji. To samo stanowisko zajmował w gabinecie, którym kierował Giuseppe Pella.
Od lipca 1956 do maja 1957 i ponownie od lutego 1959 do marca 1960 piastował funkcję premiera Włoch. Pierwszy z gabinetów współtworzyła koalicja chadeków, socjaldemokratów i liberałów. Drugi rząd, w którym objął też urząd ministra spraw wewnętrznych, opierał się wyłącznie na Chrześcijańskiej Demokracji. Między tymi okresami był wicepremierem i ministrem obrony w drugim rządzie Amintore Fanfaniego. Od 1960 do 1963 w trzech kolejnych gabinetach stał na czele resortu spraw zagranicznych.
6 maja 1962 Antonio Segni został wybrany na urząd prezydenta Republiki Włoskiej. Z powodów zdrowotnych ustąpił z urzędu 6 grudnia 1964.