Антонис ван Дейк родился 22 марта 1599 г. в Антверпене, в семье богатого торговца тканями Франса ван Дейка. В 1609 в 10-летнем возрасте его отдают в мастерскую известного живописца Хендрика ван Балена, писавшего картины на мифологические темы. С 1615 г. у ван Дейка уже имелась собственная мастерская, где он вместе с рядом молодых художников создал серию «Головы апостолов». К ранним его работам относится Автопортрет (ок. 1615, Вена, Музей истории искусств), отличающийся изяществом и элегантностью. В 1618–1620 создает цикл из 13 досок, изображающих Христа и апостолов: Св. Симон (ок. 1618, Лондон, частное собрание), Св. Матфей (ок. 1618, Лондон, частное собрание). Выразительные лица апостолов написаны в свободной живописной манере. Сейчас значительная часть досок этого цикла рассеяна по музеям всего мира. В 1618 ван Дейк был принят мастером в гильдию живописцев Святого Луки и, уже имея собственную мастерскую, сотрудничает с Рубенсом, работает как помощник в его мастерской.
Ван Дейк рано проявил себя мастером портрета и живописи на религиозные и мифологические сюжеты. С 1618 по 1620 г. он работал в мастерской Рубенса. Он создает произведения на религиозные темы, часто в нескольких вариантах: «Коронование терновым венцом» (1621, 1-й берлинский вариант — не сохранился; 2-й — Мадрид, Прадо); «Поцелуй Иуды» (ок. 1618—1620, 1-й вариант — Мадрид, Прадо; 2-й — Минеаполис, Институт искусств); «Несение креста» (ок. 1617—1618, Антверпен, Синт-Паулускерк); «Св. Мартин и нищие» (1620–1621, 1-й вариант — Виндзорский замок, Королевское собрание; 2-й вариант — Завентем, церковь Сан Мартен), «Мученичество св. Себастьяна» (1624–1625, Мюнхен, Старая Пинакотека).
В конце 1620 — начале 1621 г. ван Дейк работал при дворе английского короля Якова I, но затем вернулся в Антверпен. Некоторое время жил в Италии, в основном, в Генуе.
С 1632 г. живописец снова жил в Лондоне, работая придворным художником Карла I. В 1632 г. король посвятил его в рыцари, а в 1633 г. пожаловал ему статус королевского художника. Живописец получал солидное жалование. В Англии он женился на дочери лорда Рутвена.
Ван Дейк скончался 9 декабря 1641 г. в Лондоне, погребен в Соборе святого Павла в Лондоне.
В Испании объявлено о находке неизвестной картины «Дева Мария с младенцем и раскаявшиеся грешники», написанной в 1625 году для герцога Медины-де-лас-Торрес, хранившейся в монастыре Эскориал до 1808 года, а затем в Королевской академии изящных искусств и до последнего времени считавшейся копией