Атанас Далчев е роден на 12 юни 1904 г. в Солун като второ дете в семейството на прависта Христо Атанасов Далчев и Виктория Матеева Дишмова. Баща му работи като адвокат и преподавател по турски език в българската мъжка гимназия „Кирил и Методий“ в Солун.През 1907 г. Христо Далчев е предложен от групата на Яне Сандански за народен представител на Серската област в турския парламент. През 1908 г. заедно със семейството си се мести в Цариград. Там Атанас Далчев учи в местното българско училище. Със започването на Балканската война семейството се връща в Солун. През 1913 г. Христо Далчев се изтегля с българските войски България, а Виктория Далчева с децата си (вече пет) заминава за Дедеагач. След няколко месеца семейството се събира, но когато през 1914 г. къщата им в Солун изгаря при пожар, семейството се установява в София.
Атанас Далчев се записва с класически профил в Първа мъжка гимназия (днес Първо СОУ). През 1921 г. дебютира на творческата сцена със стихотворния си диптих „Залези“, публикуван в ученическия в. „Фар“. Година по-късно завършва гимназията и държи реч пред випуска. Същата година е приет в Софийския университет, специалност философия.
През 1923 г. публикува стихотворенията „Вечер“, „Здрач“ и „Елегия“ във „Вестник на жената“ и стихотворенията „Есенно завръщане“, „Хижи“ и „Старите моми“ в символистичното списание „Хиперион“. През същата година заедно с Димитър Пантелеев и Георги Караиванов издава поетически сборник „Мост“. През следващите години сътрудничи на сп. „Хиперион“, „Демократически преглед“ и в. „Изток“. Първият си самостоятелен сборник „Прозорец“ издава през 1926 г. Същата година заминава за Италия, при брат си склуптора Любомир Далчев, където слуша лекции по история на изкуството.
Заедно с авторите участвали в „Мост“ организира група, първоначално около в. „Изток“, но от 1927 г. започват издаването на собствения си вестник „Стрелец“, поставяйки началото на литературния кръг „Стрелец“ заедно Димитър Пантелеев, Чавдар Мутафов, Константин Гълъбов, Светослав Минков и др.През 1927 г. завършва педагогика и философия в Софийския университет. Там, както мнозина преди и след него, Атанас Далчев осъзнава интереса си кьм литературата и културата на Европа и на света. Чрез гьотингенския доктор Константин Гълъбов и архитекта Чавдар Мутафов се запознава с „новата предметност“ и експресионизма в немското изкуство между двете войни. Атанас Илиев го провокира да посвети мигове от творческото си битие на невероятното сьчетание от медицина, психология и рационалност в психоаналитичната школа и последователите ?. В едни нефранкофонски времена, благодарение на Д. Б. Митов, най-богати плодове дава интересът му кьм френската култура и действителност. Есеизмът, диаболизмът, фантастичното, гротескното са другите имена на универсалността, при Далчев. Далчев заминава при брат си Любомир в Рим, където слуша лекции по история на изкуството и учи езика в продължение на седем-осем месеца.
През 1928 година публикува стихосбирката „Стихотворения“. През 1928-1929 г. слуша лекции в парижкия университет, където завършва курс за преподаватели по френски език. През 1930 г. излиза от печат стихосбирката „Париж“.
Работи като като училищен инспектор на началните училища в София, учител по български език в тогавашната 13-та гимназия, занимава се и с преводаческа работа. Заминава, без да знае, болен от малария за Франция. В Тулуза попада на специалист, който познава болестта. Завършва курс за преподаватели по френски език към Сорбоната. По предложение на Никола Фурнаджиев през 1937 г. е изпратен като учител по български език в българското училище в Цариград. Там пребивава шест месеца, но турските власти не му позволяват да практикува. Връщайки се в София започва работа като инспектор на прогимназиалните училища.
През 1939 г. се жени за Анастасия Атанасова и на следващата година се ражда първото им дете, Мария. През 1941 г. е назначен за директор на І прогимназия „Христо Ботев“. През 1943 г. се ражда синът му Христо и Далчев издава новата си стихосбирка — „Ангелът на Шартър“, в която събира трите си по-ранни стихосбирки и добавя още десет стихотворения.
По време на въздушните бомбардировки над София на 10 януари 1944 г. половината от къщата на семейството е разрушена и те се евакуират в Лясковец. На 30 март запалителна бомба опожарява цялото жилище на Далчеви на третия етаж.
Подложен на силен натиск в първото десетилетие след 9 септември 1944 г. той спира да пише. Започва работа като началник на отделение за обществено възпитание към Министерството на информацията и изкуствата и до края на 1947 г. е началник на отдел „Обществено възпитание“. През 1945 г. се ражда третото му дете, Виктория. На следващата година след реорганизация в министерството той остава без щатна работа и когато през 1950 г. се ражда четвъртото му дете, Райна, той се принуждава почти денонощно да се занимава с преводаческа дейност, за да издържа семейството, вече лишено и от собствен дом. Владеещ и ползващ свободно няколко чужди езика, Далчев превежда творби като „Братовчедката Бет“ на Балзак, „Басни“ от Лафонтен, „Червено и Черно“ на Стендал, разкази на Чехов, съвременни испански поети, лирика на Хьолдерлин и др.
През 1952 г. Далчев заема поста на Радой Ралин като редактор на списание „Пламъче“. Назначен официално за негов редактор едва през октомври на идната година той продължава да превежда. През следващите години, заедно с Александър Мутафов, в списанието той поставя началото на съвременното преводаческо дело.
Едва през 1956 г. започва да пише отново, а през 1965 г. публикува „Стихотворения“. През 1972 г. излиза сборникът „Балкон“, съставен от приятеля му Радой Ралин. През време на творческото си мълчание създава сборника поетично-философски афоризми и критически размисли „Фрагменти“, издаден през 1967 г. под редакцията на Борис Делчев. Удостоен е със званието Заслужил деятел на изкуството и културата. Същата година получава „Знак почета“ — орден на Президиума на Върховния съвет на СССР, за принос в популяризацията на руската и съветска литература у нас.През 1974 г. на руски език излиза том избрани негови съчинения. Далчев е особено радостен от този факт, особено от това, че преводът е осъществен от поетесата Мария Петровых. Същата година чества 70-годишен юбилей и бива удостоен със званието Народен деятел на изкуството и културата и с орден „Народна република България“ - ІІІ степен. През лятото на 1977 г. пише стихотворението „Художникът и вятърът“, посветено на Иван Симеонов. Това е първото му стихотворение в бял стих и последното за творческия му път.
Сред по- забележителните постижения на Далчев като преводач са творби на Йохан Волфганг Гьоте, Блез Паскал, Мишел дьо Монтен, Стендал, Йохан Кристиан Хьолдерлин, Емили Дикинсън, Антон Чехов, Исак Бабел, Федерико Гарсия Лорка, Габриела Мистрал и др.
С високонравствената си позиция се утвърждава като негласен водач на младите - и в поезията, и в живота. Далчев умира в София на 17 януари 1978 г.
Творчеството на Далчев е превеждано на френски, словашки, чешки, унгарски, руски, немски, италиански, полски, фински, испански, а също английски, турски, китайски, японски, арабски, шведски и други езици в периодични издания или сборници.
