Η Αντιγόνη Δήμα σπούδασε Μοριακή Βιολογία και Γενετική στο Imperial College στο Λονδίνο και έλαβε μεταπτυχιακό στην Εξέλιξη και τη Γενετική Ανθρώπου από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Συνέχισε τις σπουδές της στο Wellcome Trust Sanger Institute και το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, όπου έκανε διδακτορικό με υποτροφία Wellcome Trust. Η έρευνά της εστίασε στον ρόλο του ρυθμιστικού DNA. Με το πέρας του διδακτορικού της, εργάστηκε 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. Τον Σεπτέμβριο του 2016 έλαβε χρηματοδότηση από το European Research Council για να μελετήσει τις μοριακές συνέπειες της διατροφής.