V roku 2009 Antonio vymenil KF3 za KF2, no lepšie výsledky si tým nezabezpečil. Tretie miesta v celkovom hodnotení, ktoré dosiahol v európskom šampionáte CIK-FIA KF2 a taktiež v rámci 20. ročníka Trofeo Andrea Margutti, boli jeho maximom.
Aj napriek nie najlepším predošlým výsledkom, bol Giovinazzi v sezóne 2010 vybratý automobilovou federáciou ACI-CSAI, aby sa zúčastnil prvého ročníka jazdeckej akadémie na talianskom okruhu Vallelunga. Krátko nato sa v rámci premiérového ročníka Abarth Race Day posadil prvýkrát do monopostu a získal presvedčivé druhé a šieste miesto.
Nová sezóna znamenala spojenie s tímom PCR, ktorému Antonio pomáhal taktiež po stránke technickej. Spolupráca sa vydarila – Giovinazzi so štyrmi víťazstvami triumfoval v WSK Master Series KF2. Hoci v ďalších troch sériách pod hlavičkou FIA obsadil najlepšie 3. miesto, ázijský tím Sean GP so sídlom v Jakarte sa rozhodol pomôcť mu v prechode z motokár na monoposty.
Skôr než sa definitívne rozlúčil s motokárami, pripísal si v roku 2012 víťazstvo na Indonesia Kart Grand Prix a ADAC Kart Masters v Nemecku. Túto sezónu sa ale konečne predstavil v kokpite monopostu - v šampionáte Formula Pilota China Series v tíme Sean GP. Získal 6 triumfov a 13 pódiových umiestnení, čím sa stal jasným víťazom celej série. Jeho tím mal záujem otestovať sa v európskej konkurencií, a tak sa zúčastnil záverečných pretekov ACIC-CSAI Abath European Series. Giovinazzi senzačne zaknihoval dve prvé miesta, čím si zaistil návrat do Európy a vstup do Formuly 3.
„Ako človek rastie, dosahuje ciele, ktoré, v mojom prípade, viedli k tomu, aby som sa stal profesionálnym jazdcom monopostov, k cieľu, pri ktorom mnoho mladých ľudí riskuje, že ostane len snom. Avšak, zdá sa, že môj sen sa začína stávať skutočnosťou po dlhej motokárovej kariére, ktorá trvala 11 rokov. Dnes, vo veku 19 rokov, sa rozhodnutia, ktoré som urobil v mladosti, zdajú správnymi. Takže dnes, to jediné, čo musím urobiť, je kráčať po tejto ceste, vynakladajúc všetku moju energiu,“ povedal Giovinazzi v roku 2012, ktorý sa stal pre neho prelomovým.
V sezóne 2013 bol súčasťou tímu Double R Racing. Ich najväčším spoločným úspechom bol zisk titulu vicemajstra britskej Formula 3 International Series s dvoma víťazstvami a siedmimi pódiovými umiestneniami. Nestačil len na Brita Jordana Kinga. V európskom šampionáte Formula 3 sa výraznejšie nepresadil, keď obsadil až 17. priečku. Jednorazové závody v Macau a RTL GP Masters of F3 zakončil na 16., resp. 10. pozícii. Na jeho obranu treba dodať, že Macao patrí medzi najnáročnejšie trate vôbec a nie je výnimkou, že aj skúsenejší jazdci sa umiestnia horšie.