Родился 14 апреля 1937 г. в Виннице (Украинская ССР, ныне Украина).
В 1960 г. окончил экономический факультет Московского института инженеров железнодорожного транспорта (МИИТ; ныне Российский университет транспорта, МИИТ) по специальности "Инженер-экономист". В 1964-1965 гг. - аспирант кафедры "Политэкономия" Всесоюзного заочного института железнодорожного транспорта (ныне Российская открытая академия транспорта в составе Российского университета транспорта).
С 1959 г. был внештатным автором и ведущим молодежных программ на Центральном телевидении Государственного комитета Совета министров СССР по телевидению и радиовещанию (ЦТ Гостелерадио СССР). Среди них "Проспект молодости", "Мир и молодежь", "Диалог", "Аукцион" и др.
В 1960-1964 г. - мастер, технолог, заместитель начальника планового отдела Люблинского литейно-механического завода (Москва) .
С 1964 г. по 1970 г. преподавал экономику промышленности и политэкономию в московских техникумах и Всесоюзном заочном политехническом институте (впоследствии Московский государственный открытый университет им. В. С. Черномырдина в составе Московского политехнического университета).
С 1968 г. Анатолий Лысенко работал на постоянной основе на Центральном телевидении Гостелерадио СССР: был редактором, спецкором, редактором-консультантом. В 1990-1991 гг. - заместитель главного редактора главной редакции программ для молодежи ЦТ Гостелерадио СССР. Участвовал в организации телепередач: КВН, "А ну-ка, парни!", "А ну-ка, девушки!", "Что? Где? Когда?" и др. В 1987 г. создал вечернюю пятничную информационно-развлекательную программу "Взгляд", ставшую одним из символов перестройки. Анатолий Лысенко был руководителем "Взгляда" до 1990 г.
В 1990 г. был назначен генеральным директором учрежденной в том же году Всероссийской государственной телевизионной и радиовещательной компании (ВГТРК), занимал эту должность до 1996 г. Одновременно являлся первым заместителем председателя ВГТРК Олега Попцова (с декабря 1993 г.). Возглавлял дирекцию "РТР-фильм". В 2001-2012 гг. - советник председателя, затем генерального директора ВГТРК Олега Добродеева.
С 1996 г. по 2000 г. - председатель Комитета по телекоммуникациям и средствам массовой информации г. Москвы. В 1997 г. участвовал в создании телекомпании "ТВ Центр", в 1997-1999 гг. был членом совета директоров компании.
С 2002 по 2021 г. был президентом Международной академии телевидения и радио.
В 2003-2004 гг. вел на Первом канале передачу "Программа передач на вчера", посвященную истории советского телевидения.
В 2009-2021 гг. был профессором департамента медиа факультета коммуникаций, медиа и дизайна Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики".
В 2012-2021 гг. являлся генеральным директором автономной некоммерческой организации "Общественное телевидение России" (ОТР).
Анатолий Лысенко скончался 20 июня 2021 г. в Москве на 85-м году жизни. Похоронен на Троекуровском кладбище.
Являлся членом президиума Союза журналистов Москвы, членом правления Академии российского телевидения (с 1994 г.). Входил в состав коллегии Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать; 2005-2020), возглавлял общественный совет при Роспечати (2007-2012).
Заслуженный деятель искусств РФ (1999). Заслуженный журналист РФ (2018).
Был лауреатом Государственной премии СССР в области литературы и искусства (1978; за документальный цикл "Наша биография"), премии правительства РФ 2014 г. в области средств массовой информации ("за персональный вклад в развитие средств массовой информации"). Награжден орденами Дружбы (1996), "За заслуги перед Отечеством" IV (2007) и III (2011) степеней, Почета (2016). Получил благодарность президента РФ Бориса Ельцина (1997) и правительства РФ (2017).
Среди общественных наград: премии Союза журналистов России, телепремия ТЭФИ (2004; в номинации "За личный вклад в развитие Российского телевидения"), Золотая медаль им. Льва Николаева (2012).
Автор книг "ТВ: живьем и в записи" (2011), "Живьем и в записи" (2012); сценариев более 55 полнометражных документальных фильмов ("Стратегия победы", "Наша биография", "20 минут из жизни Юрия Петрова", "Афганские репортажи" и др.).