Η Δρ Αντιγόνη Δήμα σπούδασε Μοριακή Βιολογία και Γενετική στο Imperial College στο Λονδίνο και συνέχισε τις σπουδές της στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης όπου έλαβε μεταπτυχιακό στην Εξέλιξη και τη Γενετική Ανθρώπου. Μετά από ένα σύντομο πέρασμα στη δημοσιογραφία, επέστρεψε στην έρευνα και στο Wellcome Trust Sanger Institute και το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, όπου έκανε το διδακτορικό της με υποτροφία Wellcome Trust. Η έρευνά της εστίασε στον ρόλο του ρυθμιστικού DNA. Συνέχισε ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Wellcome Trust Centre for Human Genetics στην Οξφόρδη, και στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Γενεύης.
Το 2011, της απονεμήθηκαν υποτροφίες Marie Curie IEF και EMBO και επέστρεψε στην Ελλάδα για να συμβάλει στη δημιουργία ομάδας human genomics στο ΕΚΕΒΕ Αλέξανδρος Φλέμιγκ. Η έρευνά της εστιάζεται στην κατανόηση μοριακών μηχανισμών σε νόσους που συνδέονται με την παχυσαρκία, αλλά και στον κληρονομικό καρκίνο του μαστού. Το 2017 έλαβε χρηματοδότηση από το European Research Council για να μελετήσει τις μοριακές συνέπειες της διατροφής σε άτομα τα οποία νηστεύουν 180-200 ημέρες τον χρόνο και σε άτομα τα οποία ακολουθούν τις διατροφικές συνήθειες του γενικού πληθυσμού.