Nació en Sevilla el 12 de enero de 1716 y murió en la isla de León el 5 de julio de 1795.

Comenzó estudios de Matemáticas en el Colegio Mayor de Santo Tomás. A los 17 años ingresó como guardiamarina en la Armada y formó parte de la dotación del buque Santa Teresa», que junto a otros debía de escoltar las tropas de infantería que salían de Barcelona en 1734 para auxiliar al Infante de Nápoles don Carlos (futuro Carlos III) que se encontraba en guerra con el imperio austríaco.

En 1734 el monarca Felipe V recibió una invitación de su primo el rey Luis XV de Francia para que España participase en la expedición que la Real Academia de Ciencias de París organizaba para viajar a Quito (virreinato del Perú), para medir la longitud, correspondiente a un grado, de un arco de meridiano terrestre en el Ecuador.

La expedición científica, con el objetivo de aclarar diversas teorías sobre la forma y el tamaño de la Tierra, a las órdenes de Charles de la Condamine, pretendía comparar la medición de Quito con otra medición, también de un grado, obtenida en el Polo Norte por el físico y matemático parisiense Pierre Louis Maupertius.

Por decisión de Felipe V, debían ir dos oficiales que fueran capaces de realizar los cálculos por si mismos, al margen de los cálculos desarrollados por los franceses.
Para este trabajo se eligió a dos jóvenes guardias marinas: Antonio de Ulloa y de la Torre-Guiral, y Jorge Juan y Santacilia.
Como los jóvenes carecían de la graduación necesaria, se les ascendió directamente al grado de tenientes de navío.

Se asignó a cada oficial un trabajo, Antonio de Ulloa se encargaría fundamentalmente del trabajo naturalista y Jorge Juan del matemático, además de una tarea con fines políticos (elaborar un informe de la situación del virreinato, así como un control sobre la información que los franceses podían recoger sobre las colonias españolas).

Comparando las mediciones de las dos expediciones científicas (Condamine y Maupertius) , se pudo determinar que la Tierra tiene forma de un elipsoide de revolución achatado por los polos, pues las longitudes de los arcos de un grado de meridiano van creciendo desde el Ecuador hacia aquéllos.
Además, se precisó el diámetro de los ejes de la Tierra y se calculó su grado de achatamiento.

Antonio de Ulloa y Jorge Juan se embarcaron el 28 de mayo de 1735, con la misión añadida de conducir al virrey, marqués de Villagarcía, y llegaron a Cartagena de Indias el 9 de julio de 1735.
Allí formaron la comisión junto a otros científicos franceses (Godin, Bouguer y La Condamine).

En varias ocasiones, Jorge Juan y Ulloa tuvieron que interrumpir sus trabajos científicos de medición, obedeciendo las órdenes del virrey del Perú, que les solicitaba colaboración para organizar tropas y armar dos fragatas para neutralizar los intentos de los ingleses.

Hasta que se dieron por concluidos los trabajos, recibieron una completa formación como astrónomos, además de haber podido realizar un curso de tecnología instrumental, pues al parecer, el sector cenital que Bouguer llevó de Londres no era suficientemente bueno y tuvieron que fabricar sobre el terreno instrumentos más precisos.

De regresó a España, Antonio de Ulloa que embarcó en la fragata francesa Deliberance, fue apresado por los ingleses en agosto de 1745, sustrayéndole todos los documentos de carácter científico.
En abril de 1746, con el reconocimiento científico de los ingleses, se le devolvió la documentación confiscada, siendo recibido en la Real Society de Londres, y por mediación de su presidente Martin Folkes, pudo regresar a España.
A su regreso, el rey Fernando VI nombró a Antonio de Ulloa, junto con Jorge Juan, capitán de navío.

Antonio de Ulloa emprendió una activa tarea de innovación tecnológica, reorganizó los colegios de Medicina y Cirugía, así como los arsenales de El Ferrol y Cartagena.

Viajó por numerosas naciones europeas para estudiar sus adelantos en ciencias, artes y agricultura.
En 1755 se encontraba en Suecia y fue elegido miembro de dicha Academia.

En 1758 se le encomendó la Superintendencia de la región minera de Guancavélica (Perú).

En 1765 por orden de Carlos III tomó posesión de Luisiana.

En 1766 fue nombrado gobernador de Florida occidental.

En 1779 fue ascendido a teniente general de la Armada, cargo desde el que realizó dos cruceros, a Azores y al cabo de Espartel.

Entre sus escritos figuran:

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Viaje que de orden de S. M. han egecutado los tenientes de navio don Jorge Juan y Santacilla y don Antonio de Ulloa a la ciudad de Cartagena de Indias a fin de incorporarse en ella con los científicos... parisienses que con su Real permiso pasan a los Reinos de Perú y en su compañía hacer las observaciones que egecutaren

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Viage que hicieron a Lima desde Quito don Jorge Juan i don Antonio de Ulloa el año de 1740

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Relación histórica y política del estado actual de los Reynos del Perú por lo tocante a la Marina. Hecha por los capitanes de navío don Jorge Juan y don Antonio de Ulloa.