Jómódú család gyermekeként Antwerpenben látta meg a napvilágot. Eredeti neve Antoon van Dijck volt. Kivételes tehetségét korán felfedezték, ennek köszönhetően tízéves korától festészetet tanult, mestere Hendrick van Balen volt. Öt év múlva már rutinos művésznek számított, erről árulkodik 1613-14-re datált önarcképe is. 1615 körül önálló műhelyt hozott létre ifj. Jan Brueghellel, 1618-ban pedig felvették szabad mesternek az antwerpeni Szent Lukács Festőcéhbe. Pár év elteltével a város - sőt egész Európa - fő segéde lett, többek között Peter Paul Rubens műhelyében.

1620-ban utazott először Angliába, ahol I. Jánosnak dolgozott 100 font fizetség fejében. Pár hónap múlva visszatért Flandriába, majd 1621-ben Olaszországba ment, hogy az olasz festők technikáját tanulmányozza. Noha Rubenset tekintette igazi mesterének, nagy hatással volt rá Giorgione és Tiziano is. Ekkor kezdett el portréfestészettel foglalkozni. Veronese, Tiziano és Rubens hagyományait folytatva kifejlesztette a teljes alakos portréstílust, amellyel osztatlan sikert ért el az arisztokrácia körében. 1627-től ismét szülővárosában dolgozott, felhasználva pszichológiai megfigyeléseit is, előnyös portrékat festett flamand támogatói számára.

1632-ben I. Károly meghívta udvari festőjének. Előzőleg van Dyck segített a szenvedélyes művészetpártoló angol királynak festményeket felkutatni, hogy mesés gyűjteményét gazdagítani tudja. Stílusát eleganciát és könnyedséget sugárzóvá továbbfejlesztve összesen mintegy negyven portrét festett a királynak, harmincat a királynőnek (aki másnak nem is ült modellt ebben az időszakban), és kilencet Strafford hercegének. Az angliai főurakat is szép számban megörökítette.

Második hazája Anglia lett, Londonban nagy műtermet vezetett. Dicsőségvágya és költséges életmódja ösztönzésére azonban később szinte minden megrendelést elvállalt, futószalagon gyártotta a portrékat. Hogy a határidőket tartani tudja, segédekkel festtette meg a ruhákat, ő csak a fejet készítette, végül már csak az utolsó simításokat végezte a képeken.

1638-ban elvette Lord Ruthven lányát, Maryt, aki egy ideig a királynői poszt várományosa is volt. A következő években többször járt Flandriában és Franciaországban. 1641-ben párizsi útja során súlyosan megbetegedett és nem sokkal hazatérte után blackfriarsi házában elhunyt. Miután kedvesétől is született egy gyermeke, két kislány maradt utána árván, a feleségével közös kicsi mindössze tíz napos volt.

Noha igazi területe az arcképfestés volt, Van Dyck művészetének egy részét bibliai és mitologikus kompozíciók jellemzik (A keresztvitel, Részeg Silenus). Fennmaradt történelmi festményeinek egy listája is, sajnos az abban felsorolt művek elpusztultak. Az általa kialakított gynevezett társasági arckép nemcsak kortársaira volt nagy hatással, hanem szinte napjainkig tovább él. Néhány képét Budapesten a Szépművészeti Múzeum őrzi.