Родился 7 мая 1930 г. в г. Смоленске.
В 1953 г. окончил юридический факультет Московского государственного университета (МГУ) им. М. В. Ломоносова.
Доктор юридических наук. В 1961 г. во Всесоюзном институте юридических наук защитил кандидатскую диссертацию на тему "Советское государство в системе диктатуры рабочего класса". В 1979 г. на юридическом факультете МГУ защитил докторскую диссертацию на тему "Развитие законодательства о советских представительных органах власти: вопросы теории и практики".
С 1943 г. работал на оборонном заводе "Арсенал" в Смоленске.
Член Коммунистической партии Советского Союза (КПСС) с 1955 по 1991 г.
В 1956-1961 гг. был старшим консультантом юридической комиссии при Совете министров СССР. В 1957 г. был направлен юрисконсультом в Венгрию, затем в Польшу.
С 1961 по 1976 г. - старший референт, заместитель заведующего отделом президиума Верховного Совета (ВС) СССР по вопросам работы Советов. В 1968 г. работал в Чехословакии.
В 1976-1977 гг. - консультант отдела организационно-партийной работы Центрального комитета (ЦК) КПСС. Участвовал в подготовке проекта Конституции СССР, принятой в 1977 г.
В 1977-1983 гг. - начальник секретариата президиума Верховного Совета СССР.
В 1981-1986 гг. - член Центрально-ревизионной комиссии КПСС.
С 1983 по 1985 г. - первый заместитель заведующего общим отделом ЦК КПСС Клавдия Боголюбова. Общий отдел вел делопроизводство и кадровый учет аппарата ЦК, надзирал за соблюдением режима секретности в партийных органах. Кроме того, отдел готовил материалы (проекты решений, пояснительные записки и т. п.) к заседаниям высшего органа власти в стране – политбюро ЦК КПСС.
С 28 января 1987 г. по 30 сентября 1988 г. Анатолий Лукьянов занимал должность секретаря ЦК КПСС, заведующего отделом административных органов ЦК (отдел осуществлял партийный контроль за спецслужбами и силовыми ведомствами СССР). Сменил на этом посту Николая Савинкина.
С 30 сентября 1988 г. по 13 июля 1990 г.- кандидат в члены политбюро ЦК КПСС.
С 1 октября 1988 г. по 25 мая 1989 г. - первый заместитель председателя президиума Верховного Совета СССР Михаила Горбачева (в мае 1989 г. Горбачев был избран председателем ВС СССР). Анатолий Лукьянов сменил Петра Демичева, ушедшего на пенсию.
С 25 мая 1989 г. по 15 марта 1990 г. - первый заместитель председателя ВС СССР.
В марте 1989 г. был избран народным депутатом СССР. Полномочия всех депутатов были прекращены 27 декабря 1991 г. "в связи с прекращением существования Союза Советских Социалистических Республик и образованием Содружества Независимых Государств".
С 15 марта 1990 г. по 4 сентября 1991 г. занимал пост председателя Верховного Совета СССР. Был избран на III съезде народных депутатов. Сменил на этом посту Михаила Горбачева, избранного на том же съезде президентом СССР.
25 июля 1991 г. состоялся пленум ЦК КПСС, на котором Анатолий Лукьянов выступил с резкой критикой курса Горбачева, в особенности проекта нового союзного договора, который должен был заменить договор об образовании СССР. По мнению Лукьянова, этот документ разрушал единое экономическое пространство и банковскую систему союзного государства и по сути вел к его ликвидации.
18 августа 1991 г. Анатолий Лукьянов отказался от предложения возглавить Государственный комитет по чрезвычайному положению (ГКЧП), который образовал ряд высших руководителей СССР, пытавшихся отстранить Михаила Горбачева от власти (21 августа ГКЧП самораспустился, его члены были арестованы). 19 августа 1991 г., после введения ГКЧП чрезвычайного положения в стране, как председатель Верховного Совета СССР подписал постановление о созыве его внеочередной сессии. В тот же день в газетах и по телевидению, наряду с документами ГКЧП, было распространено заявление Лукьянова с критикой союзного договора. 21 августа 1991 г. он публично отмежевался от ГКЧП, в тот же день вылетел в Форос (Крым), где встретился с Михаилом Горбачевым.
29 августа 1991 г. сессия ВС СССР дала согласие на привлечение Анатолия Лукьянова к уголовной ответственности. В тот же день он был арестован заместителем министра внутренних дел РСФСР Виктором Ериным. С 29 августа 1991 г. по 14 декабря 1992 г. находился в следственном изоляторе "Матросская Тишина" (Москва) вместе с другими обвиняемыми по делу ГКЧП. Не признавал себя виновным и отказывался давать показания, был освобожден под подписку о невыезде. 23 февраля 1994 г. все арестованные по делу ГКЧП были амнистированы Государственной думой РФ. 6 мая 1994 г. на основании постановления парламента уголовное дело в их отношении было прекращено.
После освобождения Анатолий Лукьянов принимал активное участие в митингах левой и национально-патриотической оппозиции. Участвовал в работе II съезда Российского общенародного союза (РОС, лидер - Сергей Бабурин) в феврале 1993 г., был избран в состав программной комиссии РОС.
На восстановительном съезде Коммунистической партии РФ (КПРФ) в феврале 1993 г. был избран членом ее центрального исполнительного комитета, с апреля 1994 г. по декабрь 2000 г. – член ЦК КПРФ.
В 1993-2003 гг. – депутат Государственной думы РФ I, II и III созывов от КПРФ, избирался от Смоленского одномандатного округа. 12 декабря 1993 г. был избран с результатом 34,56%, на выборах 17 декабря 1995 г. набрал 37,96%, 19 декабря 1999 г. получил 32% голосов. До февраля 1995 г. входил в депутатскую группу "Российский путь", затем - во фракцию КПРФ. В Думе I созыва был членом комитета по законодательству и судебно-правовой реформе, в Госдуме РФ II и III созывов возглавлял этот комитет.
7 декабря 2003 г. на выборах в Госдуму РФ IV созыва выдвигался от КПРФ по Смоленскому одномандатному округу №169. Выборы проиграл (набрал 15,06% голосов), уступив единороссу Сергею Антуфьеву (40,07%).
С 2004 г. был профессором кафедры конституционного и муниципального права юридического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Скончался 9 января 2019 г. в Москве. Похоронен 12 января на Троекуровском кладбище столицы.
Входил в центральный совет Ассоциации юристов России, являлся членом Союза писателей России.
Был награжден орденом Октябрьской Революции (1980), орденом Трудового Красного Знамени.
Заслуженный юрист РФ (2012).
Анатолий Лукьянов являлся автором более 350 научных публикаций и учебников, в основном по теории советского права. Среди его книг - "Переворот мнимый и настоящий" (1993), "Август 91-го. А был ли заговор?" (2010).
Писал стихи, публиковался под псевдонимами Анатолий Осенев, Днепров. Издал сборники стихотворений "Созвучие" (1990), "Стихи из тюрьмы…" (1992), "Амплитуда судьбы" (2004) и др. Собрал одну из наиболее крупных коллекций звукозаписей голосов поэтов и писателей ХХ века. Часть издал в виде аудиокниги "100 поэтов XX века: стихотворения в авторском исполнении" (2002).
Был женат. Супруга - Людмила Дмитриевна (род. 1931), биолог, член-корреспондент РАН. Дочь - Елена (род. 1958), доктор юридических наук, профессор факультета права НИУ "Высшая школа экономики".