Pertenece a una familia humilde, su padre Marcos Maceo era venezolano, su madre Mariana Grajales, cubana de origen dominicano. Los Maceos poseían una hacienda en Majaguabo, San Luis, y se dedicaban a la agricultura y al pequeño comercio. Antonio Maceo solo pudo completar los estudios primarios en Santiago.
En 1862 se hizo cargo del negocio familiar, de la mano de su padrino, el licenciado José Asencio Asencio, que le ayudó a prolongar su formación y lo introdujo en los círculos santiagueros opositores al sistema, como en las logias masónicas.
Dos días después del Grito de Yara, iniciada por Carlos Manuel de Céspedes el 10 de octubre de 1868, se une al movimiento independentista junto a sus hermanos José y Justo, al grupo de rebeldes comandados por el capitán Juan Bautista Rondón en la finca La Delicia, donde luego le seguirían su padre y otros miembros varones de la familia.
Muy pronto Maceo revelaría sus buenas dotes militares, su disposición, valentía y decisión le llevó a incesantes combates por lo que fue ascendido sucesivamente a sargento, teniente y coronel. El 26 de enero de 1869 es nombrado comandante por el valor demostrado en la defensa de Bayamo. Pocos días después a Teniente Coronel por otros combates sucesivos en la parte oriental, en Majaguabo fue herido gravemente.
Fue segundo de Máximo Gómez entre 1871 y 1874. En 1872, cuando desempeñaba el grado de coronel, fue nombrado general de división. Posteriormente efectúa varios combates en Camagüey y fue jefe militar de Oriente. En esta etapa fue herido varias veces y combatió en Jamaica, Arroyo Blanco, Santo Domingo, Rejondón de Báguanos, El Yanal, Samá, Casanovas, Santa Fe, El Zarzal y Melones, comenzaron a llamarle el ”Titán de Bronce”.
El 6 de mayo de 1877 fue ascendido a Mayor General, el 6 de agosto de ese año recibe seis balazos en el Combate de Mangos de Mejía. Sin embargo, algunos líderes blancos desconfiaban de su creciente influencia, ya que temían que el sector negro tomara las riendas del movimiento independentista.
Después de que Tomás Estrada Palma (presidente de la República de Cuba en armas) y el general español Arsenio Martínez Campos firmaran en 1878 la Paz del Zanjón, que puso fin a la Guerra de los Diez Años, Maceo se negó asumir los acuerdos de paz, por considerar que éstos no se ajustaban a sus objetivos por la total independencia de Cuba y la abolición inmediata de la esclavitud.
Tras entrevistarse con Martínez Campos en Baraguá para tratar de llegar a un acuerdo, Maceo toma el camino del exilio, al igual que otros muchos independentistas. Primero llega a Jamaica, luego a Santo Domingo. En Kingston planeó junto a Calixto García que presidia el Comité Revolucionario de Nueva York, una nueva sublevación que acabó fracasada por falta de coordinación, conocida como Guerra Chiquita. Ese mismo año viajó a Haití en busca de nuevos apoyos, que no consigue.
Maceo marcha a Santo Domingo en 1880 y regresó a Jamaica hasta mediado de 1881, luego se establece en Honduras, lugar donde residían un grupo de cubanos independentistas, como Tomás Estrada Palma, Máximo Gómez y otros. Allí se incorporó al estado mayor donde ejerce como comandante del ejército hondureño. En 1883, la caída del presidente hondureño Marcos Aurelio Soto, le obliga a marchar a Estados Unidos.
Al año siguiente en Nueva York, Martí presentó a Maceo las bases del Partido Revolucionario Cubano, y el proyecto acordado con Gómez, conocido como Plan de Fernandina, que consistía en levantamientos simultáneos en toda la isla y que a su vez, se produciría el desembarco de tres expediciones con soldados y material de guerra. Fracasa el proyecto al ser retenidos los barcos por las autoridades estadounidenses.
Maceo consigue formar una expedición, conocida como Plan Fernandina, para invadir Cuba desde tres frentes distintos. Sin embargo, fueron derrotados, Maceo marcha a Panamá trabajando en las obras del Canal y dirigió un pequeño negocio comercial. En febrero de 1890, visitó clandestinamente Santiago de Cuba, después pasa a Jamaica y Costa Rica, donde existía una importante colonia cubana.
En Costa Rica, Maceo volvió a encontrarse con Martí, que trataba de coordinar las fuerzas de los distintos jefes independentistas en el exilio: Calixto García en Nueva York y Máximo Gómez en Santo Domingo. Martí, desde Nueva York señalaría el momento en que Maceo partiría para Cuba.
El 24 de febrero de 1895 estallaron los primeros motines independentistas en la isla, y un mes después marcha Maceo a Cuba, junto a otros veinticinco hombres desde Puerto Limón en un barco inglés que le desembarcó en Baracoa el 1 de abril. Al pisar tierra, sufre un ataque de un destacamento español que dispersa a la tropa, muere el general Crombet, mientras otros caen prisioneros. Maceo y un pequeño grupo logran escapar.
El día 11 llegaron a Cuba Martí y Gómez, se reúnen con Maceo el día 5 de Mayo de 1895 en el ingenio La Mejorana para organizarse políticamente y establecer el plan de campaña, que consistía en conquistar Oriente para después invadir la parte occidental. Ya en esta reunión se pusieron de manifiesto algunas diferencias entre Maceo y Martí; como la de establecer un gobierno civil para que se pusiera al frente del movimiento insurreccional y reducir el poder de los generales, como quería Maceo.
El 13 de julio de ese año, en el combate de Peralejo, estuvo a punto de capturar al general en jefe español Arsenio Martínez Campos. El 19 de septiembre, Gómez y Maceo vuelven a reunirse en Jimaguayá, donde acordaron nombrar presidente de la República en Armas a Salvador Cisneros (tío de Evangelina Cossío Cisneros).
El 22 de octubre, Maceo salió de Los Mangos de Baraguá con el contingente oriental para la invasión a Occidente. El 22 de enero de 1896 llegó con sus hombres a Mantua (Pinar del Rio), tras haber recorrido toda la isla en tres meses, con un ejército improvisado y escasamente armado, que fueron incorporándose a medida que avanzaba al occidente.
Las tropas de Maceo eran hostigadas sin descanso por las tropas españolas durante su avance, que tras realizar una maniobra de falsa retirada, consigue desorganizar la defensa española y penetrar en la zona occidental. Se adentró en la provincia de Pinar del Río, mientras Gómez retrocedía hacia Camagüey por la hostigación constante de las tropas de Valeriano Weyler, quien sustituyó al gobernador Martínez Campos.
Maceo trata de reunirse con Gómez en las inmediaciones de la Habana. El 4 de diciembre de 1896, consiguió pasar en un bote la trocha de Mariel-Majana, guarnecida por 12.000 españoles, con un reducido grupo de hombres, pero no logra contactar.
En territorio habanero, el día 6 de diciembre, se dirigió al campamento de San Pedro, cerca de Punta Brava con el objetivo de realizar un ataque a Marianao. Espera la llegada del coronel Sánchez Figueras, al frente de unos 450 hombres. Al atardecer del 7 de diciembre de 1896, su campamento fue atacado por sorpresa en San Pedro, provincia de La Habana, donde se encontraba Maceo y su Estado Mayor.
Maceo fue alcanzado por dos disparos de bala que le provocaron la muerte instantánea. Muchos de los oficiales cubanos resultaron heridos o muertos, pero algunos lograron recuperar el cuerpo de Maceo y retirarse.
Se calcula que intervino en unas 600 acciones combativas, de ellas más de 200 fueron de gran significado. Conservó en su cuerpo 26 cicatrices de bala y arma blanca, de las cuales recibió 21 en la contienda del 68. Es reconocido como un gran estratega, su pensamiento libertario basado en el honor y la virtud lo configuran como uno de los hombres esenciales de la independencia iberoamericana del siglo XIX.
Su desaparición significó un duro golpe para el independentismo cubano, pero la rebelión continuó al mando de Gómez. Sus restos descansan en el monumento de El Cacahual, provincia de la Habana.