Антонис ван Дейк родился в 1599 г. в Антверпене в благочестивой купеческой семье. Антонис, как и его братья и сестры, получил хорошее образование. Кроме фламандского языка, он владел испанским, итальянским, французским и английским, знал историю, теологию и мировую культуру. Свое художественное образование мальчик начал в 10 лет в мастерской Хендрика Ван Балена, известного антверпенского художника. В 16 лет Ван Дейк уже имел свою мастерскую.

В 1618—20 гг. он работал помощником у П. П. Рубенса, испытав сильное влияние его сочной, полнокровной живописной манеры. Варьируя выработанные Рубенсом образы и приемы, Ван Дейк придает героям своих картин более изящный облик («Иоанн Креститель и Иоанн Евангелист»). Однако истинным призванием художника был портретный жанр. Его талант выдающегося портретиста проявился уже в ранних работах («Семейный портрет»).
В конце 1620 г. Ван Дейк отправляется в Англию, где некоторое время работает при дворе короля Якова I. Король назначает ему «ежегодный пенсион», однако остаться в Лондоне Ван Дейк не захотел. Ознакомившись с королевским собранием картин прославленных итальянских мастеров, художник в 1621 г. уезжает в Италию — для завершения своего художественного образования.
Более шести лет понадобилось Ван Дейку для изучения итальянского искусства. Он побывал в Риме, Неаполе, Турине, Палермо, Флоренции, Венеции, Генуе и даже на Сицилии. В это время он вырабатывает и доводит до совершенства тип парадного портрета барокко, в котором активную роль играют поза, осанка и жест человека («Портрет кардинала Г. Бентивольо»). Долгое время художник жил и работал в Генуе, где создал галерею блестящих парадных портретов городской знати (парные портреты: старого генуэзца и его жены, маркиза А. Дж. Бриньоле-Сале и его жены Паолины Адорно). В то же время Ван Дейк создал остро выразительные образы людей высокого интеллекта и творческой одарённости («Портрет скульптора Ф. Дюкенуа»). В общей сложности в Италии Ван Дейком было написано свыше ста картин.
В 1627—32 гг. Ван Дейк вновь живет в Антверпене, занимая должность придворного живописца эрцгерцогини Изабеллы. Эти годы явились для художника периодом наивысшего творческого расцвета. Он продолжает работать в жанре портрета («Портрет Марии Луизы де Тассис», «Портрет живописца Ф. Снейдерса»), создает религиозные и мифологические композиции («Отдых на пути в Египет»), осуществляет уникальное издание серии гравюр «Иконография Ван Дейка», состоящей из ста портретов выдающихся современников.
В 1634 г. Ван Дейк был избран деканом гильдии художников города Антверпена, что явилось неоспоримым признанием его блестящего таланта. Однако сам художник в это время был уже далеко от родных пенатов. В 1632 г. он уехал в Англию, где получил место главного живописца при дворе английского короля Карла I. Король окружил Ван Дейка небывалым почетом и даже пожаловал ему рыцарское звание. В Лондоне Ван Дейк жил в необыкновенной роскоши: держал слуг, кареты, лошадей, музыкантов, певцов и клоунов, которые забавляли его титулованных посетителей, приходивших позировать для портретов.
В 1639 г. Ван Дейк женился на фрейлине королевы Мэри Ратвен. В 1641 г. у них родилась дочь Юстиниана.
Годы, проведенные Ван Дейком в Англии, были наполнены огромным трудом. За это время им было создано около четырехсот полотен, в том числе более 35 портретов Карла I («Портрет Карла I верхом», «Карл I на охоте», «Карл I в трех ракурсах»), 20 портретов королевы и их детей. Среди лучших последних произведений Ван Дейка — «Автопортрет с Эндимионом Портером», «Портрет Дж. Стюарта», «Портрет Ф. Уортона», «Портрет Т. Чалонера».
Напряженная работа, а также светская жизнь, отнимающая слишком много времени и сил, привели Ван Дейка, хрупкого от природы, к тяжелой болезни. 9 декабря 1641 г. художник скончался и был похоронен с великолепием и пышностью в старинной церкви Св. Павла.