O britânico rodou o circuito Russell em um minuto e 18,518 segundos, 0,293 segundos à frente do italiano Antonelli, que voltou de uma grande queda no último treino livre de sábado.
Foi a primeira pole da Mercedes em Melbourne desde que Lewis Hamilton venceu em 2019.
“Foi um grande dia e sabíamos que o carro tinha muito potencial”, disse Russell.
“Realmente melhorou esta tarde.
“Que bom que Kimi está aqui… no geral, foi um bom dia.”
Antonelli enfrenta pânico para confirmar sua posição no início do Q3, depois que seu carro remendado perdeu peças do ventilador e Norris atropelou um, espalhando destroços e bandeiras vermelhas.
Isaac Hadjar, da Red Bull, largará em terceiro no grid para a corrida de domingo, com Charles Leclerc, da Ferrari, em quarto.
O piloto local Oscar Piastri e o atual campeão Lando Norris terminaram em quinto e sexto pela McLaren.
“Foi um dia muito estressante”, disse Antonelli sobre a queda, que praticamente levou à bandeira vermelha.
“Mas os caras hoje foram heróis para colocar o carro de volta nos trilhos.”
Novas mudanças no chassi e na unidade de potência significam uma curva de aprendizado mais acentuada para os motoristas, o que coloca muita responsabilidade no gerenciamento da distribuição e aceleração da potência.
Na primeira sessão de qualificação, Verstappen fechou uma de suas primeiras voltas rápidas, derrapou na brita e bateu na barreira.
O holandês praguejou pelo rádio da equipe antes de sair ileso do carro.
“O carro travou nos eixos traseiros. Incrível”, disse o holandês, vice-campeão do ano passado.
Verstappen largará no final do grid ou no pit lane, dependendo dos reparos.
O bicampeão mundial da Aston Martin, Fernando Alonso, caiu no Q1, junto com os novos pilotos da equipe Cadillac, Sergio Perez e Valtteri Bottas.
O companheiro de equipe de Alonso, Lance Stroll, não pôde participar do Q1, com a Aston Martin ficando sem tempo para reconstruir seu carro após os reparos matinais.
O piloto da Williams, Carlos Sainz, também não conseguiu se classificar.