Le note vicende che segnano questo delicato momento storico vedono Antonio Mordini svolgere un ruolo di primo piano sia per quanto riguarda le azioni militari che nell'elaborazione e diffusione degli ideali risorgimentali. Si arruola infatti tra i primi volontari pronti a combattere per liberare il nord Italia dalla dominazione austriaca diventando capitano dello stato maggiore di Guglielmo Pepe e nel contempo è tra i fondatori, a Venezia, del Circolo italiano, promotore del progetto di un' Italia libera e repubblicana.
Espulso dalla città lagunare nell'ottobre 1848 per non avere risparmiato ampie critiche al governo di Daniele Manin, ritorna a Firenze, dove si è insediato il governo di Giuseppe Montanelli, diventa presidente del Circolo popolare e, attraverso il giornale «La Costituente» di cui è direttore, diffonde il progetto del neonato Comitato centrale provvisorio fiorentino che si batte per la convocazione dell' Assemblea costituente nazionale a Roma, con cui il 9 febbraio 1849 verrà sancita la nascita della Repubblica romana retta da Armellini, Saffi e Mazzini e dichiarato decaduto il potere pontificio.
Nominato ministro degli Affari esteri e successivamente ministro ad interim della Guerra nel Governo provvisorio fiorentino di Guerrazzi, Montanelli e Mazzoni, sorto all'indomani della fuga del granduca Leopoldo II a Gaeta e caratterizzato da una profonda chiusura verso la collaborazione con Mazzini e l'unione con Roma, Mordini, che non condivide affatto le scelte politiche del Guerrazzi, tenta con poco successo di costruire alleanze con gli altri governi provvisori e mantenere vivo il progetto unitario. Ma la sconfitta subita da Carlo Alberto di Savoia il 23 marzo del 1849 nella ripresa della guerra contro gli austriaci ed il successivo ripristino del potere granducale in Toscana e pontificio a Roma, segnano la fine dell'esperienza del governo fiorentino. Guerrazzi viene arrestato e Mordini, fuggito a Nizza, trascorrerà quasi un decennio in esilio, perlopiù nel Regno di Sardegna, ma con frequenti spostamenti, spesso sotto falso nome, a Ginevra, Torino ma soprattutto a Londra, dove si reca nel 1851 e nel 1857 ed incontra Giuseppe Mazzini, con cui condivide ancora la visione politica ed intrattiene una fitta corrispondenza.
Il fallimento dei tentativi di insurrezione promossi da Mazzini nel 1853 e nel 1856 in Lunigiana, a cui collabora anche il patriota toscano, inducono Mordini, pur non rinnegando l'ideale repubblicano, ad abbandonare le posizioni mazziniane ed a ritenere che solo l'appoggio alla monarchia sabauda possa offrire una qualche garanzia di successo a favore dell'indipendenza dal dominio austriaco. E' questa la linea assunta da Giuseppe Garibaldi, che nel 1857 entra nella Società nazionale.
Con la caduta della dinastia lorenese, il 27 aprile 1859, e la successiva amnistia decretata dal Governo provvisorio toscano, la condanna all'esilio decade e Mordini può finalmente fare ritorno a Barga e successivamente raggiungere Garibaldi in Valtellina, partecipando così alla Seconda guerra di indipendenza nel corpo dei Cacciatori delle Alpi, corpo volontario garibaldino incorporato nell'esercito sardo, comandato da Giacomo Medici.
In questa fase l'attività di Mordini è indirizzata a promuovere l'annessione della Toscana al Regno di Sardegna, circostanza che avrà luogo con il voto plebiscitario del 12 marzo 1860 e lo vedrà eletto deputato al Parlamento di Torino per il collegio di Borgo a Mozzano. Deciso ad appoggiare l'impresa dei Mille, nei primi giorni di giugno raggiunge la Sicilia e Garibaldi, che ne apprezza le qualità politiche ed organizzative, lo nomina in breve successione tenente colonnello, presidente del Consiglio di guerra, auditore generale e , in seguito alle dimissioni di Agostino Depretis che in accordo con Cavour vuole l'annessione immediata dell'isola e per questo entra in conflitto con il generale, prodittatore di Sicilia con il compito di prepararne l'annessione al momento opportuno e dare il tempo a Garibaldi di muovere dal sud verso Roma.
Ma il plebiscito è ormai una scelta inevitabile e, in accordo con il prodittatore di Napoli Giorgio Pallavicino, Mordini lo indice portando così la Sicilia all'annessione al Regno sabaudo.
Il 7 novembre 1860 Vittorio Emanuele II entra trionfalmente a Napoli accompagnato da Garibaldi, Pallavicini e dallo stesso Mordini, il 1° dicembre prende possesso della Sicilia e il 14 gennaio 1861 viene proclamato il Regno d'Italia.
Rientrato a Napoli con la carica di auditore generale dell'esercito meridionale ed eletto nel collegio di Palermo per la prima legislatura del Parlamento italiano, Mordini conserverà la carica di deputato fino al 1895, dapprima a Palermo e poi nel collegio di Lucca, e il 25 ottobre 1896 verrà nominato senatore del Regno. Nel 1862, ormai abbandonata la prospettiva repubblicana a favore di posizioni moderate orientate a sostenere il progetto di monarchia costituzionale, Mordini si reca in Sicilia nel vano tentativo di fermare Garibaldi intenzionato a raggiungere Roma, ma a Napoli viene arrestato con l'accusa di coinvolgimento nell'azione garibaldina assieme ad altri deputati e rinchiuso a Castel dell'Ovo. In seguito all'amnistia concessa nell'ottobre dello stesso anno viene rimesso in libertà e dopo aver contribuito alla caduta del governo Rattazzi, intenzionato a creare le condizioni per un riavvicinamento tra il re e Garibaldi, tenta di promuovere l'intervento dei garibaldini accanto all'esercito sabaudo nel sostegno all'insurrezione scoppiata in Polonia nel 1863 e si adopera tenacemente per convincere il generale a porsi alla guida di un partito d'impronta democratico costituzionale. Garibaldi, seguito da Mordini nel suo trionfale viaggio in Inghilterra nell'aprile del 1864, rifiuta la proposta e il patriota barghigiano, lasciate le posizioni vicine alla sinistra democratica, si orienta definitivamente al centro dello schieramento politico, vota a favore del disegno di legge per lo spostamento della capitale a Firenze e si adopera con grande impegno per aggregare elementi della Sinistra e della Destra in quello che tra il 1866 ed il 1869 viene definito il Terzo partito. Nel 1864, inoltre, assieme a Garibaldi, gran maestro del Grande Oriente d'Italia di cui è delegato, lascia la massoneria italiana lacerata dalle molte divisioni interne.
Nel 1866 sposa la giovane barghigiana Amalia Cecchini, da cui nel 1867 nascerà Leonardo e nel 1869 Antonietta; la moglie Amalia morirà nel 1872, a soli 26 anni.
Sempre nel 1866 il presidente del Consiglio Bettino Ricasoli lo invia come commissario regio a Vicenza, liberata dalla dominazione austriaca, fino allo svolgimento del Plebiscito che porta il Veneto all'annessione al Regno d'Italia e nel maggio del 1869 entra nel terzo governo Menabrea, di breve durata, come ministro dei lavori pubblici.
A lui, il 28 novembre 1871, in qualità di vicepresidente della Camera, spetta l'onore di presiedere la prima seduta del Parlamento a Roma, nuova capitale del Regno.
Dal 1872 al 1876 Mordini ricopre la carica di prefetto di Napoli e, sebbene ormai schierato con l'opposizione di Destra, nel 1882 condivide l'opzione trasformista di Agostino Depretis rifiutando tuttavia l'offerta della Presidenza della Camera che lo stesso Depretis gli propone nel 1884. Il progressivo distacco dalla politica attiva lo portano a rifiutare anche il dicastero degli Esteri propostogli nel 1890 e nel 1891 da Francesco Crispi.
Nel marzo del 1893 Mordini accetta come ultimo incarico il ruolo di presidente e relatore della Commissione parlamentare dei Sette, che si occupa dello scandalo della Banca Romana e in cui è implicato lo stesso Crispi, e fino al 1902 continua a svolgere con assiduità l'attività di Senatore.
Muore a Montecatini Terme il 14 luglio 1902.