Né à Lausanne, Antoine Bernheim a étudié le chant à Genève avec Nicole Buloze, Franz Petri et Gloria Davy et participé à des masterclasses avec notamment José van Dam, Régine Crespin, Sena Jurinac, Giacomo Aragall, Thomas Quasthoff, Leontina Vaduva, Leo Nucci et Christa Ludwig.
Ses premiers pas sur scène remontent à 1989 lorsqu’il chante le Comte Almaviva (Le Nozze di Figaro) dans une mise en scène de Gabriel Bacquier. En 1993, il est choisi par le compositeur suisse Claude Yvoire pour tenir la partie de baryton solo lors de l’enregistrement de sa cantate Gloria Sepharadica. En 1994, Antoine Bernheim chante Don Alfonso (Cosi fan tutte) et a, depuis, participé à de nombreuses productions d’opéra, principalement en Suisse mais aussi en France, en Allemagne, en Italie, en Russie et en République Tchèque.
Parmi les rôles qu’il a interprétés sur scène, citons Leporello (Don Giovanni), Bartolo (Il Barbiere di Siviglia), Dandini (La Cenerentola), Mustafà (L’Italiana in Algeri), Gaudenzio (Il Signor Bruschino), Batone (L’Inganno Felice), Tobia Mill et Slook (La Cambiale di Matrimonio), Tiger Brown (Die Dreigrosschenoper), Germano (La Scala di Seta), Sigismondo (Il Giovedi Grasso), Gasparo (Rita), Don Annibale Pistacchio (Il Campanello), Marcello (La Bohème), Abimelech (Samson et Dalila), le Comte de Monterone (Rigoletto), le Podestat (Le Docteur Miracle), le Docteur Miracle (Les Contes d’Hoffmann), Blinval (I Pazzi per Progetto), le Comte Almaviva (Le Nozze di Figaro), Papageno et Sarastro (Die Zauberflöte), Dulcamara et Belcore (L’Elisir d’Amore) ainsi que les rôles titres du Cadi Dupé de Gluck, de Monsieur Choufleuri d’Offenbach, de Don Pasquale de Donizetti, de Gianni Schicchi de Puccini, de Falstaff de Verdi et des Noces de Figaro de Mozart.
Il a participé dans le rôle de Don Girone à la re-création à Saint-Petersbourg de La Finta Amante de Paisiello.
Lauréat du Concours International de Moirans, du Concours International della Citta di Racconigi, et vainqueur du Concours International Pietro Sardelli à Rome, Antoine Bernheim a également mis en scène deux opéras à Genève : L’Ivrogne Corrigé de Gluck et Angélique d’Ibert.
