Nació en Moscú, en una vieja familia de comerciantes. Terminó la escuela del distrito y entró luego en el comercio, sirviendo como dependiente en Kaluga.
Desde su juventud anhelaba la vida espiritual, pero su madre no lo dejaba partir al monasterio. Tras la muerte de ella, en 1885, el dependiente de Kaluga Aleksandr Potápov, de treinta años, llegó a la ermita de Óptina. Al novicio Aleksandr se le dio pronto la bendición de servir como asistente de celda del santo stárets Ambrosio, y ya entonces se mostró en él un don admirable de amor, de compasión y de penetración espiritual. El 23 de abril (5 de mayo) de 1888, en la iglesia del skit, el novicio Aleksandr fue tonsurado riasóforo; el 3 (15) de junio de 1895 recibió el manto monástico y el nombre de Anatolio.
El 29 de marzo (11 de abril) de 1906 fue ordenado hieromonje y casi al mismo tiempo, por decreto del consistorio eclesiástico de Kaluga, nombrado confesor del monasterio femenino de Kazán y de San Ambrosio en Shamórdino — ministerio que desempeñó hasta el final mismo de su vida.
Anatolio tuvo ocasión de dejar Óptina, y la rechazó de plano, firmemente resuelto a permanecer en el monasterio «hasta que me echen». Tras su primer arresto, el stárets volvió a su monasterio apenas vivo — pero con una sonrisa radiante y con la acción de gracias al Señor en los labios, sin haber condenado a nadie.
En 1921 el abad del monasterio, san Isaaquio, propuso al stárets que tomara el gran hábito, la esquima. Durante la tonsura Anatolio estaba tan débil que no podía sostener su propia vela, y pronunció los votos con voz apenas audible. Después de tomar la esquima mejoró: empezó a comer y, poco a poco, a levantarse de la cama.
El 29 de julio / 11 de agosto de 1922 vinieron a arrestar al stárets por segunda vez. No se resistió, pero pidió que volvieran por él al día siguiente, para darle tiempo «a prepararse». Viendo su avanzada edad, los guardias cedieron. El stárets pasó la noche entera en oración, y por la mañana su asistente de celda lo encontró de rodillas — y sin vida.
Las reliquias de san Anatolio de Óptina fueron recuperadas el 27 de junio / 10 de julio de 1998, y reposan hoy en la iglesia sepulcral del icono de la Madre de Dios de Vladímir.