Святитель Анатолий родился в Александрии во второй половине IV века — в то время, когда образованные византийцы один за другим уходили служить Церкви, соединяя веру с греческой учёностью. Получив философское образование, он принял священный сан и был диаконом при святителе Кирилле Александрийском. Вместе с ним Анатолий участвовал в Третьем Вселенском Соборе в Ефесе в 431 году, где отцы осудили лжеучение Нестория.

После кончины святителя Кирилла в 444 году Анатолий оставался диаконом, а Александрийскую кафедру занял Диоскор, уклонившийся в монофизитскую ересь; Константинопольскую же кафедру возглавлял святитель Флавиан: Евтихий учил, что Божество во Христе полностью поглотило человеческую природу. Учение это подрывало саму основу веры в спасение и искупление человека. В 449 году Диоскор со сторонниками собрал в Ефесе собор, который вошёл в историю как «разбойничий»; император его поддержал, а защитника Православия патриарха Флавиана низложили и лишили сана.

Когда на Константинопольскую кафедру избрали Анатолия, он взялся восстанавливать чистоту веры. Уже в 450 году Поместный Собор в столице осудил ересь Евтихия и Диоскора; скончавшегося в изгнании патриарха Флавиана причислили к лику святых, а мощи его перенесли в Константинополь. В следующем, 451 году при деятельном участии патриарха Анатолия был созван Четвёртый Вселенский Собор в Халкидоне, утвердивший исповедание Господа Иисуса Христа совершенным в Божестве и совершенным в человечестве, познаваемым в двух естествах неслитно и нераздельно.

Ереси, впрочем, ещё долго тревожили Церковь, и в этой борьбе патриарх Анатолий и скончался в 458 году. Из его канонических трудов особо выделяют 28-е правило Халкидонского Собора о равночестности Константинопольского престола престолу Старого Рима — святитель защищал это правило в посланиях к папе Римскому Льву. По этому правилу к Константинопольскому престолу отошли Церкви Малой Азии, Греции и Черноморья — вместе со всеми новыми Церквами, какие возникнут у народов этих земель. Так в их число впоследствии вошла и Русская Церковь.

Оставил святитель след и в богослужении. Ему принадлежат стихиры на воскресные дни, на праздники Рождества Христова и Богоявления, на дни памяти мучеников — святого Пантелеимона, святого Георгия Победоносца, святого Димитрия Солунского. В богослужебных книгах их так и подписывают: «Анатолиевы». Память святителя Анатолия совершается 16 июля.