Piastri non ha ancora preso parte a un gran premio in questa stagione, ma l'australiano ha dato prova del suo talento con un giro di 1min 30,133sec in condizioni di sole e asciutto a Suzuka.
Il 19enne italiano Antonelli, che ha vinto il primo gran premio della sua carriera in Cina due settimane fa, si è piazzato secondo, a 0,092 secondi da Piastri.
Il leader del campionato Russell, che è stato il più veloce nelle prove del mattino davanti ad Antonelli, è stato terzo.
Piastri ha vissuto un inizio di stagione da incubo, cadendo sulla griglia di partenza in Australia e non riuscendo a partire per il Gran Premio in Cina a causa di un problema tecnico.
Il suo compagno di squadra alla McLaren e campione del mondo Lando Norris ha ottenuto il quarto tempo nelle prove libere, dopo aver saltato la prima metà della sessione per una sospetta perdita idraulica.
Anche il britannico Norris, che non ha preso il via al Gran Premio di Cina per un problema tecnico diverso da quello di Piastri, ha saltato metà della sessione di prove del mattino.
Charles Leclerc si è piazzato quinto davanti al compagno di squadra della Ferrari Lewis Hamilton.
Il quattro volte campione del mondo della Red Bull Max Verstappen si è piazzato al 10° posto, 1,376 secondi più lento di Piastri.
Alex Albon ha avuto una mattinata movimentata ed è stato di nuovo protagonista nelle seconde prove.
Il pilota della Williams ha quasi tamponato Pierre Gasly dell'Alpine ai box e successivamente si è fermato per diversi secondi in pista prima di riprendere potenza.
Albon ha tamponato Sergio Perez della Cadillac in mattinata e ha sbandato nella ghiaia prima di toccare una barriera.
Fernando Alonso della Aston Martin ha preso parte alle prove pomeridiane dopo essere stato sostituito dal pilota di riserva Jak Crawford per la sessione del mattino.
Alonso è arrivato in Giappone in ritardo, dopo la nascita del suo primo figlio.