Вихованець СДЮШОР «Динамо», де робив перші футбольні кроки під керівництвом легендарного Володимира Онищенка.

Дебютував у професійному футболі в 1987 році в складі сімферопольської «Таврії». Після виступів за «Таврію», «Галичину» та «Приладист» привернув увагу тренерів «Динамо» та отримав запрошення приєднатися до «біло-синіх» у 1992 році.

Зіграв у складі «Динамо» 47 матчів. Разом із киянами двічі став чемпіоном України та одного разу - переможцем Кубку України.

Завершив активну ігрову кар’єру у 2007 році після виступів за черкаський «Дніпро» в статусі граючого тренера та надалі залишився в клубі як помічник головного тренера, а згодом як головний тренер. 

Тренерський досвід Анатолія Петровича також охоплює роботу в «Полтаві», «Сумах», «Поліссі», «Черкащині», «Альянсі», «Львові» та «Вікторії», з якою двічі пробився до 1/4 фіналу Кубку України.

Наприкінці травня 2026 року Анатолій Безсмертний повернувся в «Динамо», приєднавшись до тренерського штабу Ігоря Костюка.