Seine Leidenschaft für die Kammermusik teilt er mit Musikern wie Leif Ove Andsnes, Nicholas Angelich, Gautier und Renaud Capuçon, Leonidas Kavakos, Gidon Kremer, Mischa Maisky, Emmanuel Pahud und Streichquartetten wie dem Quatuor Ebène sowie dem Hagen Quartett; darüber hinaus verbindet ihn eine enge Zusammenarbeit mit namhaften Sängerinnen wie Anne Sofie von Otter, Sandrine Piau und Christianne Stotijn. Er ist regelmäßiger Gast bedeutender Festivals, unter anderem beim Edinburgh Festival, Jerusalem International Chamber Music Festival, Lucerne Festival, New York Mostly Mozart Festival, Rheingau Musik Festival, Salzburger Festspiele, Schubertiade, Verbier Festival sowie La Folle Journée in Nantes und Tokyo.

Rezitals führen Antoine Tamestit in so renommierten Sälen wie das Amsterdamer Concertgebouw, das Palais des Beaux-Arts in Brüssel, die Kölner Philharmonie, die Londoner Wigmore Hall, die Carnegie Hall und das Lincoln Center in New York, das Stockholmer Konserthuset, die Mariinsky Concert Hall in St. Petersburg und den Wiener Musikverein. Besonders auch mit Solorezitals, u. a. mit Werken von Bach, Ligeti, Hindemith und Olga Neuwirth, ist er ein gern gesehener Gast auf den großen Bühnen der Welt.

Seit 2013 ist er gemeinsam mit Nobuko Imai künstlerischer Leiter des Viola Space Festivals in Tokyo. Programmatisch widmet sich dieses einzigartige Festival der ganzen Bandbreite des Viola-Repertoires durch die Jahrhunderte, darüber hinaus bildet die Nachwuchsförderung, insbesondere die fortdauernde künstlerische Betreuung junger Bratschisten einen wesentlichen Schwerpunkt.

Gemeinsam mit Frank Peter Zimmermann und Christian Poltéra gründete Antoine Tamestit das Trio Zimmermann; regelmäßige Tourneen führen das Trio in die bedeutenden Musikzentren Europas. In den Jahren 2010, 2011 und 2014 veröffentlichte das Label BIS Records Aufnahmen mit Werken von Beethoven (Streichtrios opp. 3, 8, 9), Mozart (Divertimento KV 563) und Schubert (Streichtrio D 471).

Zahlreiche Aufnahmen aus Antoine Tamestits Diskografie wurden von der internationalen Fachpresse mit großem Lob gewürdigt. Besonders hervorzuheben sind die Soloaufnahme „Chaconne“ mit Werken von Bach und Ligeti (Naïve), das Violakonzert von Schnittke mit dem Warsaw Philharmonic unter der Leitung von Dmitrij Kitajenko (Naïve), Mozarts Sinfonia Concertante mit Renaud Capuçon, Louis Langrée und dem Scottish Chamber Orchestra (Virgin), eine den Werken Franz Schuberts gewidmete Aufnahme mit der Sopranistin Sandrine Piau und dem Pianisten Markus Hadulla sowie die im November 2011 erschienene Einspielung von Berlioz' Harold in Italien mit Les Musiciens du Louvre unter der Leitung von Mark Minkowski (Naïve). Im Januar 2013 wurde seine Aufnahme mit Suiten von Johann Sebastian Bach veröffentlicht. Seine Einspielung mit Solowerken und Werken der Konzertliteratur von Paul Hindemith (gemeinsam mit dem hr-Sinfonieorchester und Paavo Järvi) erschien im November 2013 im Rahmen des Gedenkjahres für den Komponisten, dessen Todestag sich 2013 zum 50. Mal jährte. Eine neue Aufnahme von Berlioz' Harold in Italien mit dem London Symphony Orchestra unter der Leitung von Valery Gergiev erschien 2015 (LSO Live). 2016 wurde seine Neuaufnahme der Sinfonia Concertante von Mozart mit Frank Peter Zimmermann und dem Kammerorchester des Symphonieorchesters des Bayerischen Rundfunks veröffentlicht (hänssler Classic).

Es ist Antoine Tamestit ein wichtiges Anliegen, seine Leidenschaft für die Viola und die Musik in weltweit stattfindenden Meisterkursen an kommende Musikergenerationen weiterzugeben. Von 2007 bis 2016 lehrte er zudem als Professor, zunächst an der Kölner Musikhochschule und dann am Pariser Conservatoire. Er spielt eine Viola von Antonio Stradivari aus dem Jahr 1672, die ihm von der Habisreutinger-Stiftung zur Verfügung gestellt wird.