Antonio Machado nacque a Siviglia il 26 luglio 1875, secondogenito di una famiglia della media borghese. Il padre, laureato in Diritto oltre che Filosofia e Lettere, era un grande esponente dello studio del folclore, fondò la rivista El Folk-Lore Andaluz e scrisse su diversi giornali.
Nel 1883 la famiglia si trasferì a Madrid, presso i nonni paterni. Antonio, con il fratello Manuel, entrarono come alunni nella Institución Libre de Enseñanza, sorta nel 1876 ed ispirata a Francisco Giner, per quei professori (fra cui il nonno paterno, docente di scienze naturali) staccatisi dall'università ufficiale in segno di protesta con il governo Cánovas.
Nel 1889 si iscrisse al liceo di San Isidro, e l'anno successivo proseguì gli studi nell'Istituto Cardenal Cisneros. E' in questi anni di scuola che si svilupparono le inclinazioni letterarie di Machado, soprattutto per il teatro, ed insieme al fratello Manuel frequentò ogni tipo di circoli ed ambienti letterari di Madrid; facendo amicizia in questi anni con Ricardo Calvo (figlio di Rafael Calvo) direttore del Teatro Spagnolo, e con Antonio di Zayas.

Nel 1893, anno in cui morì il padre, pubblicò, con uno pseudonimo, alcune collaborazioni sul settimanale satirico La Caricatura. Negli anni successivi collaborò alla stesura del Diccionario de ideas afine ed entrò a far parte della compagnia teatrale di María Guerrero y Fernando Díaz de Mendoza, intervenendo sporadicamente in tre opere.
Nel giugno del 1899 si trasferì a Parigi, ricongiungendosi con il fratello Manuel, per lavorare come traduttore. Visse la bohémien del "fine di secolo" e conobbe Oscar Wilde, Enrique Gómez Carrello, Pio Baroja e Jean Moréas. A Parigi, Machado scrisse buona parte dei poemi che più tardi furono raccolti in Soledades.
Ad ottobre ritornò a Madrid e l'anno successivo ottenne il diploma. Si iscrisse quindi alla Facultad de Filosofía y Letras de la Universidad de Madrid, ma ben presto abbandonò gli studi.
Nel 1901 pubblicò i suoi primi poemi sulla rivista modernista Electra.
L'anno successivo tornò per qualche mese a Parigi ed in quella occasione conobbe Rubén Darío, con cui strinse un'amicizia che durò fino alla morte di Darío nel 1916.
Al suo ritorno da Parigi, Machado cominciò la sua amicizia con Juan Ramón Jiménez che andava a visitare nel Sanatorio del Rosario de Madrid.
Nel 1903 venne pubblicato Soledades e negli anni a seguire collaborò con diverse riviste letterarie (Ateneo y en Los Lunes de El Imparcial, Renacimiento latino, Blanco y Negro y La República de las Letras).
Nel 1907 ottenne la cattedra di francese a Soria, dove si trasferì, e lì conobbe Leonor Izquierdo che sposò due anni dopo quando Leonor aveva solo 15 anni.

Tornato a Parigi in compagnia della moglie, nel 1911, scrisse il romanzo in prosa La tierra de Alvargonzález. Ben presto però i due fecero ritorno a Soria poiché Leonor si era ammalata di tubercolosi che la portò alla morte l'anno seguente. La perdita della moglie così precocemente ebbe un notevole influsso nei versi del poeta.
Machado iniziò a recarsi frequentemente a Madrid, continuando la collaborazione con diverse riviste e conoscendo molti autori contemporanei, fra cui Garcia Lorca.
Conseguì la laurea di Filosofía y Letras nel 1918 e si trasferì a Segovia, non rinunciando a frequentare Madrid nei fine settimana.
Nel 1926, con il fratello Manuel, presentò la sua prima opera teatrale Desdichas de la fortuna o Julianillo Valcárcel, a cui ne seguirono altre cinque.
Quando il 14 aprile del 1931 venne proclamata la Repubblica, Machado fu uno dei repubblicani che issarono la bandiera nel Municipio di Segovia.
Nell'aprile del 1936 pubblicò la quarta edizione di Poesías completas ed il mese successivo Juan de Mairena, mentre La tierra de Alvargonzález y Canciones del Alto Duero venne pubblicato nel 1938.

Allo scoppio della guerra civile, Antonio aderì alla Repubblica ed intervenne a numerosi congressi e convegni antifascisti.
A causa dell'adamento della guerra, con molti altri intellettuali, si trasferì dapprima a Valencia, quindi a Barcellona ed infine nel gennaio del 1939 emigrò, con la sua famiglia, in Francia. Fu un viaggio estenuante, dal 22 gennaio al 10 febbraio, con un clima rigido e piovoso. Machado aveva 64 anni, la madre, che lo accompagnava, 88. Giunti in Francia si rifugiarono in un campo profughi e solo dopo l'intervento di alcuni intellettuali francesi, trovarono alloggio in un albergo a Collioure (un paese francese di confine) e qui Machado, rifiutando diverse offerte di asilo, fra cui l'Unione Sovietica, si stabilì.
Già ammalato e provato dal difficoltoso viaggio, Antonio Machado morì il 22 febbraio e tre giorni dopo morì anche la madre. Sono entrambi sepolti nel cimitero di Collioure.