Родился в семье ливанского писателя Эдуарда Атьи и матери-шотландки. Обучался в Тринити-колледже Кембриджского университета, где был учеником В. Ходжа.
Основные работы в области алгебры (в теории представлений), алгебраической геометрии и особенно алгебраической топологии, где Атья под влиянием работ А. Гротендика и в сотрудничестве с Ф. Хирцебрухом создал K-теорию, отказавшись от когомологий как основного гомотопического инварианта и заменив их т. н. K-функтором. При помощи K-теории Атья вместе с Р. Боттом доказал теорему Атьи-Ботта о неподвижной точке и вместе с И. Зингером теорему об индексе эллиптического оператора, которая решила проблему, поставленную ещё И. М. Гельфандом в начале 1950-х годов. Атья и Ботт обобщили классические результаты И. Г. Петровского о гиперболических уравнениях в частных производных.
Также важны работы Атьи по математической физике (в области калибровочных полей).
Среди его учеников наиболее известны С. Дональдсон и Н. Хитчин
Президент Пагуошского движения учёных (1997—2002). Почётный иностранный член Американской академии искусств и наук (1969). Иностранный член Российской академии наук (1994), Академии наук Грузии (1996).
Кавалер британского Ордена Заслуг.
Лауреат Филдсовской премии (1966) и Абелевской премии (2004 вместе с И. Зингером).