Nato a Napoli il 6 dicembre 1979 dal noto cantautore, attore e regista italiano Nino D'Angelo, Toni D'Angelo si trasferisce a Roma all'età di 6 anni. Si iscrive al D.A.M.S. di Bologna, per poi trasferirsi a quello di Roma Tre, dove si laurea con una tesi sul cinema di Abel Ferrara. Inizia la sua carriera cinematografica proprio con lo stravagante regista italoamericano, per il quale lavora come assistente alla regia, e con il quale scrive il soggetto (mai realizzato in forma di film) Morire a Napoli. Dopo diverse esperienze sul set, totalmente innamorato del cinema, decide di passare alla regia, dirigendo il suo primo cortometraggio, Bukowski, Casoria, un ménage à trois ai limiti dell'erotico, ispirato liberamente a un racconto di Charles Bukowski. Nonostante l'amatorialità dell'operazione, il film riscuote un grande successo, vincendo diversi premi. Il giovane regista, allora, capisce che quella è la giusta strada da perseguire, e gira numerosi altri cortometraggi e videoclip musicali, fino a realizzare nel 2007 il suo primo lungometraggio, Una notte. Il film ottiene numerosi premi italiani e internazionali, e vale a D'Angelo la candidatura come miglior regista esordiente nella cinquina dei David di Donatello.
Nel 2009 il suo secondo lungometraggio, il documentario Poeti, viene selezionato alla 66° Mostra Internazionale del Cinema di Venezia in concorso nella sezione Controcampo Italiano e in numerosissimi altri festival internazionali. Interamente girato a Roma, è una sorta di block-notes sulla poesia nella capitale. Nel 2012 torna alla narrazione con L'innocenza di Clara, un noir ambientato nelle cave di marmo di Carrara e selezionato in concorso, unico film italiano, al MWFF World di Montreal e al Courmayeur Noir in Festival. Del 2014 è il cortometraggio Ore 12, prodotto da Sky Cinema, Cattleya e Figli del Bronx, realizzato nell'ambito delle attività laboratoriali dei "ragazzi di Scampia" e presentato come evento speciale al Festival del cinema di Roma. Ha poi diretto Filmstudio, Mon Amour, documentario presentato al Festival di Roma e vincitore del Nastro d'Argento per il Miglior Documentario. La pellicola tratta del mitico cineclub romano Filmstudio, dove, attraverso un personalissimo viaggio introspettivo dell'autore, vengono documentate, ripercorrendole assieme ai personaggi che ne hanno fatto la storia, le tappe più significative. Nel 2017 dirige Fortunato Cerlino e Michele Riondino nel poliziesco Falchi.