Родился 25 октября 1957 года в селе Багачивка Звенигородского района Черкасской области. В 1974 году окончил Киевское суворовское военное училище. В 1979 году с золотой медалью окончил Киевское высшее военное авиационное инженерное училище (КВВАИУ) по специальности автоматическое, электрическое и приборное оборудование пилотируемых летательных аппаратов.
В 1993-1994 — прошел подготовку в США (Институт иностранных языков Министерства обороны США и оперативно-стратегический факультет Университета Военно-воздушных сил США).
В 2004-2005 годах работал в избирательном штабе кандидата в президенты Виктора Ющенко.
В 2005 — 2007 годах занимал пост министра обороны Украины в правительствах Юлии Тимошенко, Юрия Еханурова и Виктора Януковича (назначен по квоте президента Виктора Ющенко).
Участвовал в президентских выборах 2009 года, набрал по результатам первого тура 1,2% голосов (девятое место).
На внеочередных парламентских выборах в 2007 году прошел в Верховную Раду под №4 блока «Наша Украина — Народная самооборона» (НУНС).
С ноября 2012 года — народный депутат Верховной Рады Украины VII созыва, прошел под №3 в партийном списке ВО "Батькивщина". В январе 2014 года заявил о сложении депутатских полномочий.
На президентских выборах 2014 года набрал 5,4% голосов под лозунгом "Первый непроходной".
Сторонник вступления Украины в НАТО. Занимает жесткую антироссийскую позицию. Следственный комитет России в 2017 году возбудил против Анатолия Гриценко уголовное дело за публичные призывы к терактам в российских городах.
Являлся кандидатом на президентских выборах в марте 2019 года. В социологических опросах стабильно входил в пятерку лидирующих кандидатов.
В марте 2019 года в пользу Анатолия Гриценко сняли свои кандидатуры Андрей Садовый, Дмитрий Гнап и Дмитрий Добродомов. В первом туре выборов набрал 6,91% голосов, заняв пятое место.
