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.

Se cuenta que cierto día el cura local lo escuchó tarareando en voz baja y lo invitó a cantar en una fiesta donde interpretó el Ave María de Schubert, desde entonces su pasión por la ópera creció. Sin embargo, el medio en el cual se desenvolvía y el color de su piel resultaba entonces un obstáculo para sus sueños, decidiéndose por la música popular cubana, para bien suyo y de sus seguidores.

Sus inicios tienen lugar con la integración a la Banda Municipal de su pueblo natal, como clarinetista. Posteriormente se trasladó a La Habana donde trabajó en dúos, tríos y septetos, hasta integrarse a la orquesta de Don Aspiazu con la cual viaja a Nueva York en 1930 donde grabó y popularizó su primera versión de El Manisero, de Moisés Simons.

Ya fuera de la orquesta de Aspiazu, Machín crea su legendario cuarteto con el que sigue cosechando éxitos en Nueva York, hasta que en 1934 se traslada a Europa, para conquistar Londres y Paris. Ahora con la orquesta Habana y el espectáculo La Noche de los Trópicos, de Moisés Simons, afianza su figura en Montparnasse, la Costa Azul y Cannes.

En 1943 se casó en Sevilla con María de los Ángeles Rodríguez. A Sevilla trajo parte de sus familiares cubanos. Actuó en algunas salas de fiestas como Shanghái (llamada, tras el cambio de nombres extranjeros por nombres castellanos, Sala Bolero), cobrando veinticinco pesetas diarias. El primer éxito que tuvo en España fue Noche triste, un fox melódico grabado con los Mihuras de Sobré, orquesta que acompaño a Machín en sus primeros éxitos y de la que después se desligó. Otros de sus primeros éxitos fueron Cómo fue, Moreno, Amor sincero, etc,. En 1947 llegaría su gran éxito en España: la "canción moruna" Angelitos negros, convertida en bolero merced a arreglo musical en la década de los sesenta.

Dos compositores importantes en su carrera, fueron el cubano Oswaldo Farrés: autor de temas como Madrecita, Toda una vida, No me vayas a engañar, Quizás, quizás, quizás, Ay de mi... y la mexicana Consuelo Velázquez: autora de Bésame mucho, Será por eso y Amar y vivir. Mención aparte merece la única versión de la cubana Isolina Carrillo, que convirtió en uno de sus grandes éxitos, Dos gardenias.

Viaja por Alemania, Dinamarca, Suecia, Holanda, Italia y Rumanía, y en 1939 arriba a España para continuar su exitosa carrera y, a pesar de las dificultades de la postguerra, seguir cimentando su reputación hasta su muerte, ocurrida en la capital del país ibérico, el 4 de agosto de 1977.

En España, ya con más de sesenta discos grabados y con su "Cuarteto Machín", le llega la consagración gracias a una adaptación absoluta al país como lo demuestra la frase, muy citada, de que se trataba de "El más cubano de los españoles y el más español de los cubanos".

En España, Machín encuentra todo lo que buscaba y le gustan especialmente Madrid, Sevilla (donde encontró el amor); Alicante donde pasaba largas temporadas en su apartamento de Playa de San Juan. También frecuentaba Barcelona, donde actuó por primera vez al llegar a España y en la actualidad se le recuerda con un monolito en la Plaza Vicenç Martorell del Distrito de Ciutat Vella, al lado de la Plaça de Bonsuccés, donde pensaba trasladarse a vivir justo antes de su muerte.

Empezó prácticamente desde abajo y llegó a ser testigo y banda sonora de las historias de amor de los españoles en unos tiempos difíciles, su popularidad fue creciendo hasta ser idolatrado como lo eran las grandes estrellas de la copla, sus canciones pasaron a ser parte de la memoria sentimental de varias generaciones a través de la radio.
Por su carácter serio y humilde, Machín fue muy bien acogido en la España de la época. Impuso su personal estilo en el bolero y hasta entró en el refranero popular con el dicho "Te mueves más que las maracas de Machín."

En Alcalá de Guadaira (Sevilla) el 7 de junio de 1977 salió muy agotado de escena y no pudo regresar. Fue su última actuación. Machín falleció en Madrid el 4 de agosto de 1977, en su casa de la calle General Mola (hoy Príncipe de Vergara), a los 74 años de edad. Descansa en el Cementerio de San Fernando de Sevilla, donde sus compatriotas y familiares le recuerdan cada año rociando su tumba con ron cubano y cantando alguno de sus boleros.

Según Alejo Carpentier: “En Machín, voz grata, de ricas sonoridades, los géneros criollos hallan un intérprete concienzudo y conocedor de sus menores matices. Autor de una notable creación del Manisero de Simons, Machín sabe interpretar con igual fortuna una rumba trepidante o una canción llena de nostalgias (…)”.

También el poeta y músico Joaquín Sabina tuvo palabras de elogio para este cubano que paseó su fama por casi todo el continente europeo, principalmente por toda la península ibérica.

Él ha dicho que en la etapa final del franquismo los exiliados españoles y latinoamericanos en la capital inglesa se hacían lenguas de los Beatles, pero terminaban cantando con él obras clásicas en la voz de Machín, tales como: Dos gardenias, Toda una vida y Angelitos negros, con los afamados versos de Andrés Eloy Blanco y la música de Manuel Álvarez.