Van Dyck nacque ad Anversa e divenne un pittore indipendente nel 1615. Negli anni della gioventù fu l'assistente capo di Peter Paul Rubens. Nel 1620, si recò in Inghilterra per la prima volta, ma non riuscì ad essere presentato al Re Giacomo I. Dopo 4 mesi tornò nelle Fiandre. In seguito andò in Italia dove rimase per 6 anni studiando i maestri italiani e ponendo le fondamenta della sua carriera di ritrattista di successo. Nel 1627, fece ritorno ad Anversa dove per alcuni anni dipinse un insieme di capolavori. La sua reputazione giunse all'orecchio di Carlo I d'Inghilterra che lo chiamò a corte. Nel 1632 Van Dyck arrivò nuovamente a Londra. Il suo successo in Inghilterra fu rapido. Dipinse ritratti di Re Carlo, della Regina Enrichetta, dell'amante del Re Margherita Lemon, lo splendido gruppo dei figli del re, ed eseguì alcuni autoritratti.
Nell'ultima parte della sua vita diede solo i ritocchi finali ai ritratti che venivano in gran parte eseguiti dagli allievi su sue indicazioni.

Nel luglio 1632 fu fatto baronetto e nel 1633 fu eletto "Pittore del Re". Ricevette un considerevole vitalizio e sposò la figlia di Lord Ruthven. Nel 1634, fece un breve viaggio ad Anversa e nel 1641 un altro in Francia.
Morì nel 1641 a Londra e venne sepolto nella Cattedrale di San Paolo.

Van Dyck ebbe una grande influenza dui ritrattisti inglesi. Per questo motivo alcuni studiosi lo chiamano il fondatore della scuola inglese di pittura.

Nei paesi di lingua inglese è conosciuto come Anthony Van Dyck o Van Dyke (per un'imitazione approssimativa della pronuncia fiamminga del suo cognome: van dèik).