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.
Първият си самостоятелен сборник “Прозорец” издава през 1926 г. 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 към литературата и културата на Европа и на света. През 1928 година публикува стихосбирката “Стихотворения”. През 1930 г. излиза от печат стихосбирката “Париж”. Заминава, без да знае, болен от малария за Франция. В Тулуза попада на специалист, който познава болестта. 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”. 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. Едва през 1956 г. започва да пише отново, а през 1965 г. публикува “Стихотворения”. През 1972 г. излиза сборникът “Балкон”. През време на творческото си мълчание създава сборника поетично-философски афоризми и критически размисли “Фрагменти”, издаден през 1967 г. под редакцията на Борис Делчев.
Същата година получава “Знак почета” – орден на Президиума на Върховния съвет на СССР, за принос в популяризацията на руската и съветска литература у нас. 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.
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.