Diplômé de l’Institut d’études politiques de Paris, titulaire d’un DESS « Banque et finance » de l’université Paris-IX Dauphine et ancien élève de l’École nationale d’administration (promotion Léon
Gambetta). Affecté à l’Inspection générale des finances en 1993, Antoine Gosset-Grainville devient secrétaire général adjoint du comité économique et financier de l’Union européenne en 1997.
De 1999 à 2002, il est conseiller pour les affaires économiques et industrielles au cabinet de Pascal Lamy à la Commission européenne. Avocat aux barreaux de Paris et de Bruxelles, il devient en 2002 associé du cabinet Gide Loyrette Nouel. En 2007, il est nommé directeur adjoint du cabinet du Premier ministre, François Fillon, en charge des questions économiques et financières. En mars 2010, il devient Directeur Général adjoint de la Caisse des Dépôts en charge des finances, de la stratégie, des investissements et du pilotage, des activités européennes et internationales, puis Directeur Général du groupe Caisse des Dépôts par intérim de février à juillet 2012. En avril 2013, il fonde le cabinet d’avocats BDGS Associés dont il dirige le département antitrust – régulation.