Анатолий Семенович Ионов родился в подмосковном Ногинске 23 мая 1939 года (по другим данным 6 августа). В хоккей его привел знакомый, Леонид Солдатов, который привел его в команду к известному тренеру Дмитрию Васильевичу Рыжкову. Анатолия Семеновича сразу поставили в нападение в команду "Металлург", в которой в 1956 году он играл на первенстве области.
Отличного нападающего присмотрел известный тренер Юрий Мурашкин, и позвал в "Команду г. Электростали", игравшую в первенстве СССР, с которой началась карьера прославленного хоккеиста. В 1957 году Анатолий Семенович переходит в команду "Крылья Советов", который становятся чемпионами страны.
В 1959 году хоккеист вернулся в состав "Электростали", и через четыре года перешел в команду "ЦСКА", в которой сыграл вплоть до 1970 года. В чемпионатах СССР всего было сыграно 298 матчей и забито 139 голов.
В играх за сборную СССР Ионов стал победителем Чемпионатов мира и Европы в 1965, 1966 и 1968 годах. За сборную СССР в рамках Олимпийских игр и чемпионатов мира провел 14 матчей забросил 5 шайб.
Пик выступлений за сборную СССР пришелся у Ионова на 1968 год, когда в составе команды СССР он стал Олимпийский Чемпионом на играх в Гренобле.
Закончив спортивную карьеру, Анатолий Семенович стал тренером хоккейной команды "Кристалл" г. Электросталь, и возглавлял её с 1985 по 1998 годы. В этот период «Кристалл» считался одной из сильнейших команд первой союзной лиги, не раз участвовал в переходных турнирах команд высшей и первой лиг. По уровню игры команда не уступала многим старожилам высшей лиги.
В 1998 году Ионов уходит с поста Главного тренера команды и становится её президентом вплоть до 2009 года.
Анатолий Семенович введен в Зал славы отечественного хоккея в 2014 году. После выхода на пенсию, он скромно жил на своей даче в деревне Пяткино Тверской губернии.
Анатолий Семёнович Ионов умер на 80-м году жизни 12 мая 2019 года. Причина смерти не сообщается.