Giovanna Antonelli è figlia di una ballerina di origini italiane. Ha mosso i primi passi nel mondo dello spettacolo a soli quattordici anni, tra gli animatori di un programma televisivo per bambini. Dopodiché sono arrivati per lei i primi ruoli in telenovelas. Nel 2000 ha debuttato nel cinema, ottenendo la parte della protagonista in Bossa Nova, un grandissimo successo in Brasile e in Europa. L'attrice ha dato poi volto e voce a Maria Maddalena nel musical Jesus Christ Superstar. Nel primo decennio del nuovo millennio è stata attiva su molti fronti: la si ricorda soprattutto come Anita Garibaldi nella telenovela A Casa das Sete Mulheres, trasmessa in Italia con il titolo Garibaldi, l'eroe dei due mondi.
Giovanna Antonelli si è sposata in prime nozze nel 1997 col pubblicitario Ricardo Medina, suo ex compagno di liceo. La coppia ha divorziato nel dicembre 2001. L'anno seguente l'attrice ha iniziato a frequentare il collega Murilio Benicio. Nel dicembre 2004, mentre si trovava alla guida della propria auto, è rimasta gravemente ferita in un incidente da lei causato per sfuggire ad alcuni paparazzi che l'avevano presa di mira: ricoverata in ospedale, ha dichiarato di essere incinta. I medici sono riusciti a salvare madre e figlio, nato poi nel maggio 2005 senza alcuna malformazione (il suo nome è Pietro). Nel 2007 Giovanna Antonelli e Murilio Benicio si sono lasciati. Il 2007 per l'attrice è stato anche l'anno del suo matrimonio lampo (appena 4 mesi) con un famoso uomo d'affari, l'italoamericano Robert Locascio. Dal 2009 Giovanna Antonelli è sposata al regista Leonardo Nogueira, con cui nel 2010 ha avuto due gemelle, Sofia e Antonia.