Родился 2 апреля 1910 года в посёлке Воронцовка Верхотурского уезда Пермской губернии (ныне Свердловская область) в семье горного мастера.
Учился в Богословской школе первой ступени и в Турьинской семилетней школе.
В 1925 году поступил в фабрично-заводское училище Надеждинского металлургического завода на отделение металлургии.
Трудовая деятельность в Надеждинске
1926-1929 гг. - подручный сталевара в мартеновском цехе Надеждинского завода.
Прохождение воинской службы
1929-1930 гг. - курсант Вольской теоретической школы военных лётчиков.
1930-1931 гг. - курсант Оренбургской школы военных лётчиков.
1931-1933 гг. - лётная служба в Ленинградском военном округе.
1933-1935 гг. - командир звена в эскадрилье истребителей на Дальнем Востоке.
В 1935 году А.К. Серову присвоено звание старшего лейтенанта. Он назначен командиром отряда.
1935-1936 гг. - слушатель командирского факультета Военной Воздушной академии им. Жуковского.
1936-1937 гг. - лётчик-испытатель в научно-исследовательском институте военно-воздушных сил.
С мая 1937 года по январь 1938 года под именем Родриго Матео принимал участие в боевых действиях против установления фашистской диктатуры в Испании.
За этот небольшой период своей биографии Анатолий Серов стал легендой среди испанцев и наших лётчиков, гордостью всей страны. Получил два боевых ордена за ночные воздушные бои и сбитый фашистский бомбардировщик.
В июле 1937 года А.К. Серов был назначен командиром эскадрильи истребителей. В сентябре 1937 года эскадрилья под его руководством провела штурм фашистского аэродрома в Гарапинильосе, уничтожив свыше 40 фашистских бомбардировщиков и истребителей, а также запасы горючего и бомб. Впервые в истории авиации истребители были использованы в качестве штурмовиков. За время пребывания в Испании А.К. Серов совершил 180 боевых вылетов, провёл 28 воздушных боев. Эскадрилья, которой командовал Серов, сбила свыше 70 самолётов противника, из них лично он сбил 15 самолётов.
В январе 1938 года после возвращения в СССР А.К. Серову было присвоено звание полковника.
2 марта 1938 года за успешное проведение Гарапинильоской операции и другие боевые подвиги в Испании А.К. Серову было присвоено звание Героя Советского Союза с вручением высшей награды СССР ордена Ленина и грамоты ЦИК.
В мае 1938 года А.К. Серов получил назначение на должность начальника Главной лётной инспекции ВВС.
В июне 1938 года он был назначен членом Государственного Совета авиации.
В ноябре 1938 года А.К. Серов становится слушателем Академии Генерального штаба Армии.
9 февраля 1939 года ему было присвоено звание комбрига (генерал-майор авиации).
11 мая 1939 года А.К. Серов трагически погиб при испытательных полётах. Урна с его прахом замурована в Кремлёвской стене на Красной площади.
Награды и звания
- Два ордена Красного Знамени
- Звание Героя Советского Союза с вручением высшей награды СССР ордена Ленина и грамоты ЦИК
- Воинское звание Комбриг (генерал-майор авиации)
В память о герое
- 7 июня 1939 года Указом Президиума Верховного Совета СССР город Надеждинск был переименован в город Серов.
- В центре города установлен памятник А.К. Серову.
- Имя прославленного лётчика носят городской проспект, металлургический завод, профессионально-техническое училище.
- Выпущена книга «Анатолий Серов», автор З. Чалая, изд. «Молодая гвардия», 1940г.
- Выпущена документальная повесть «Уральский сокол», автор М.В.Водопьянов,1964г.
- Выпущена книга «Жизнь и подвиг Анатолия Серова», автор Марк Ланской, 2001г.
- Написана песня об А.К. Серове авторами М. Разумовым и А. Рыбиным.
- Три морских судна в СССР носили имя Анатолия Серова.
- Именем А.К. Серова были названы:
Батайское училище лётчиков-истребителей;
Краснодарское высшее военное авиационное училище лётчиков;
Лубянский проезд в Москве;
Улицы в Архангельске, Минске, Свердловске, Карпинске
Установлен памятник на месте гибели героя в деревне Высокой Рязанской области.

В 2020 году к юбилейной дате 110-летию со дня рождения А.К. Серова по инициативе сотрудников Краснотурьинского краеведческого музея был создан виртуальный музей «Красная пятёрка», рассказывающий о короткой, но яркой жизни лётчика – героя.

Второго октября 2020 года в городе Серове на пересечении улиц Ленина и Заславского была установлена стела с макетом самолёта И-16, на котором летал Анатолий Константинович Серов.

В 1965 году в средней школе №19 г. Серова открыт первый в России музей А.К. Серова.
В 1980 году музей А.К. Серова открыт на малой родине героя в посёлке Воронцовка.
В 1979 году Серову Анатолию Константиновичу присвоено звание «Почётный гражданин города Серова» за доблесть и мужество, проявленные при исполнении воинского долга.
Анатолий Константинович Серов стал первым Почётным гражданином города Серова.