Intérprete de reconocido prestigio en el ámbito hispanohablante, es famoso por sus recreaciones, entre otras, de temas como El manisero, Dos gardenias, Angelitos negros. Su disco El manisero, grabado en 1930 acompañado por la orquesta de Don Aspiazu para la compañía Victor de Nueva York, constituyó el primer éxito millonario en ventas de la música cubana.

Miembro de una familia pobre (de unos quince hermanos) de la localidad cubana de Sagua la Grande, Antonio trabajó de niño en diversos oficios. Fueron sus padres un emigrante español, José Lugo Padrón, y una negra cubana, Leoncia Machín. Su abuela paterna era canaria. El artista recuerda haber sido feliz en su familia, que no era «ni muy rica ni muy pobre». Muy pronto se manifiesta su afición al canto. Alternaba su trabajo de joven albañil con el canto en la iglesia, en los teatros y tras la pantalla del cine mudo de su ciudad. Llega a unirse hasta tres veces con grupos de músicos ambulantes que pasan por su ciudad camino de La Habana. En 1911, el párroco de Sagua le pone a cantar en su altar mayor. En cierta ocasión, con motivo de una fiesta benéfica, interpreta el Ave María de Schubert subido a una silla: se gana el aplauso de toda la población. Al cumplir veinte años manifiesta su deseo de estudiar bel canto y ópera, pero comprende que, dado su color, su repertorio quedaría reducido a Otelo. Mientras su madre le inculcaba el amor al canto, el padre veía su actividad como propia de individuos de vida irregular y rayana en lo inmoral.

No sin dificultades llega a La Habana en 1926, donde se inicia como solista en los cafetines acompañado del guitarrista Manuel Zaballa. La reputación del dúo llega a oídos de la burguesía habanera, que ya no duda en contratarlos. Por azar del destino llega a cantar a una emisora en la que coincide Don Azpiazu, quien lo contrata como segundo cantante de su orquesta. Sería, pues, el primer cantante negro que actuara en el Casino Nacional de La Habana, lugar de la burguesía más racista y excluyente, ya como todo un profesional. Sin dejar a Aspiazu, funda un sexteto que hace sus primeras grabaciones en 1929 y a partir de los medios de la época, es decir, las victrolas de cuerda y la radio que empezaba a desarrollarse. El éxito fue inmediato con Aquellos ojos verdes, al que siguió El manisero. En 1930 deja Cuba (adonde no volvería hasta 1958). En abril de 1930 llega a Nueva York, integrando la orquesta de Don Azpiazu. Estuvo cuatro años en la gran metrópoli, formando parte de otras muchas agrupaciones (José Escarpenter y su Orquesta, Orquesta Antillana de Rafael Hernández, Julio Roque y su Orquesta, Armando Valdespí y su Orquesta, además de las dirigidas por él mismo: la Orquesta Machín y el Cuarteto Machín).