Атанас Атанасов завършва право в Софийския университет "Климент Охридски", след което е съдия в Русе (1987 - 1988) и прокурор в Разград (1989 - 1992). През 1992 - 1995 година оглавява районната дирекция на Министерството на вътрешните работи (МВР) в Разград, а след това работи като адвокат.

През 1997 г. Атанасов става за кратко секретар на МВР. На 8 септември 1997 г. е назначен за директор на Националната служба за сигурност за срок от една година. На 8 септември 1998 г. е освободен от длъжността секретар на Министерството на вътрешните работи и назначен за директор на Националната служба "Сигурност". На 26 февруари 1999 г. е удостоен с висше военно звание генерал-майор. На този пост се замесва по-активно с политическия живот, като на 10 декември 1999 година предоставя на министър-председателя Иван Костов списък с 226 имена от доклад за корупция. Впоследствие са уволнени десет министри, сред които Богомил Бонев, Марио Тагарински и Александър Божков. На 5 ноември 2001 година докладът на Атанасов е цитиран в телевизионен предизборен дебат от кандидата за президент Петър Стоянов, което, според някои анализатори, става причина мнозина да оттеглят гласовете си в подкрепа на Петър Стоянов, както и загубата му на изборите.

На 14 декември 2001 г. е освободен от длъжността директор на Национална служба "Сигурност" на Министерството на вътрешните работи. След това се занимава с обществена дейност. Става член на Клуб "Диалог", на базата на който през 2004 година е създадена партията Демократи за силна България. От 2005 до 2009 година Атанас Атанасов е депутат от ДСБ. От 2006 г. е председател на софийската организация на партията, а от 10 юни 2017 г. председател на партията.

На 10 юни 2017 г. е избран за председател на ДСБ.

На 12 април 2018 г., в качеството си на председател на ДСБ, съучредява и е избран за съпредседател на политическото обединение "Демократична България".