Nato a Tobbiana di Montale il 29 dicembre 1810 da umile famiglia contadina e cresciuto alla scuola dello zio paterno Francesco, abate di San Martino in Campo, che ne curò la prima educazione, Atto Vannucci fu posto, appena quindicenne, nel Seminario vescovile di Pistoia, dove sotto la guida del pratese canonico Giuseppe Silvestri, potè affinare le doti del proprio intelletto e dare solide basi alla propria cultura. Nel 1831 seguì il Maestro trasferito nel collegio Cicognini di Prato e qui, appena ventitreenne, iniziava il suo tirocinio di uomo di scuola assumendo la Cattedra di Umanità e, più tardi, nel 1840, quella di Cronologia e Storia Universale. Così il giovane Vannucci, vissuto fin dalla più tenera età tra uomini di chiesa, finì per avviarsi egli stesso sulla via del sacerdozio, intimamente convinto, ciò facendo, di intraprendere una missione importante, attraverso la quale egli pensava di poter concretamente contribuire alla elevazione morale e materiale degli umili e dei diseredati. Come insegnante esplicò una attività molto intensa, intelligentemente volta allo svecchiamento dei sorpassati sistemi di studio allora in atto nelle Scuole di Umanità e partecipò attivamente, insieme con il suo Maestro Silvestri e con gli amici suoi e colleghi Giuseppe Arcangeli ed Enrico Bindi, alle iniziative di potenziamento e rinnovamento dei programmi di studio, che in breve volger di tempo dovevano determinare la fortuna del già celebre collegio pratese, che infatti, proprio in quel torno di tempo, divenne un modello di efficienza didattica e di vivacità culturale.
Atto Vannucci fu senza alcun dubbio il più novatore tra i novatori Maestri del Cicognini, ma fu anche il più fecondo di risultati e giustamente Giuseppe Montanelli gli ascriveva il merito di avere introdotto virilità di affetti civili nello studio dei classici latini e di aver saputo dettare frammenti di storia patria vividi d’antica freschezza. Uomo di studio, delicato interprete di classici, Atto Vannucci seppe tuttavia assumere le sue responsabilità di cittadino nell’agitato triennio 1847/’49, allorchè anche la Toscana fu chiamata a offrire il proprio contributo alla causa nazionale. Con l’intento dichiarato di dare un orientamento patriottico al clero toscano per renderlo sensibile ai grandi ideali nazionali, il Vannucci entrò a far parte fin dalla sua istituzione nel giugno del ’47 della redazione dell’Alba, giornale di professata fede democratica e popolare di cui dal 10 febbraio 1848 assunse egli stesso la direzione, che poi tenne fino al 23 marzo dello stesso anno. Fautore del principio unitario e seguace delle idee di Mazzini, fu tra i promotori in Toscana del movimento patriottico risorgimentale. Nel febbraio del 1849, nella fase cruciale della crisi toscana, assunse insieme con Giuseppe Campani e Augusto Carradori il governo di Prato su esplicito mandato del Guerrazzi, e subito dopo fu inviato a Roma del Governo Provvisorio con l’incarico di rafforzare i legami con le nuove autorità rivoluzionarie e con l’intento di promuovere la unificazione delle forze armate e salvaguardare così la incolumità della patria comune.
Deposto a questo punto l’abito che vestiva, quell’abito che con tanto slancio aveva indossato negli anni suoi giovanili, fu subito dopo eletto deputato dell’Assemblea uscita dalle elezioni a suffragio universale del 15 marzo, e vi si adoperò con impeto appassionato in favore della proclamazione della repubblica e dell’unione con Roma, investendo con parole di fuoco i pavidi e gli incerti che di fatto ne ostacolavano la realizzazione. Al momento del tracollo delle speranze italiane, Atto Vannucci lasciò Firenze per Livorno, dove fu tra i protagonisti dell’ultima disperata resistenza contro gli austriaci per lasciare infine l’Italia e incamminarsi sulla via dell’esilio diretto a Parigi, ove per alcuni mesi, ebbe a compagno di sventura Giuseppe Mazzoni. Proprio nei primi durissimi anni dell’esilio parigino riprese vigore in lui il non mai sopito amore per i classici latini e per il mondo romano in genere, e passava così gran parte del suo tempo tra i libri della Biblioteca Mazzarina, dove come egli stesso amava dire, poteva seriamente leggere e scrivere dei suoi antichi che tanto amava. In tale lavoro trovava il massimo conforto riuscendo quasi a dimenticare le umane miserie e si sentiva rinvigorire il cuore e crescere la speranza al cospetto della gente fortissima con cui gli capitava di imbattersi nelle sue letture. In tale stato d’animo maturava e prendeva corpo la sua opera più grande e celebrata, quella Storia dell’Italia antica che ebbe la sua prima tormentata edizione nel quinquennio 1851/’55.
Tormentato dal continuo cocente desiderio dell’Italia, non riusciva a darsi pace e venne così gradatamente maturando il proposito di un suo ritorno a Firenze, dove, quasi nelle vesti del transfuga penitente, si stabiliva infatti sin dai primi mesi del 1855. Qui trovava fortunatamente l’affetto e la cordialità degli uomini di cultura gravitanti intorno al Vieusseux e riusciva così a reinserirsi gradatamente, con il rango che gli competeva, nell’ambito a lui più congeniale. Con i primi mesi del ’57 tornava alla ribalta con un suo giornale, La rivista di Firenze, fondato con il proposito di seguire in Italia e fuori l’ingegno e il pensiero italiano, ma anche di appoggiare la politica cavouriana delle annessioni e, in definitiva, la soluzione piemontese del problema italiano, quella soluzione che tanto aveva avversato negli anni dell’esilio, ma che poi aveva finito per far propria nella meditata convinzione che fosse la sola ad offrire uno sbocco concreto al compimento del processo dell’unità italiana. Eletto deputato di Pistoia all’Assemblea Nazionale Toscana, sostenne con lucida coerenza tali suoi nuovi orientamenti contribuendo a debellare le risorgenti ambizioni autonomistiche. Contemporaneamente si faceva sempre più incisiva la sua presenza nel campo delle attività culturali, prima come bibliotecario della Magliabechiana e poi come professore di Letteratura Latina nell’istituto Superiore di Perfezionamento di Firenze.
Eletto nel 1861 deputato di Firenze al Parlamento Nazionale, accettò nel 1865 la nomina regia a Senatore del regno ufficializzando con ciò la sua definitiva conferma su di una posizione politica che accettava senza riserve, anche se molto spesso in modo estremamente critico, il nuovo assetto moderato e monarchico che l’Italia si era dato. Il suo stato di salute si era nel frattempo gravemente deteriorato: afflitto da tormentose vertigini, quasi del tutto cieco e progressivamente sempre più sordo, pressochè immobilizzato sulla sua poltrona appena emergente in mezzo a mucchi di libri affastellati in gran disordine attorno a lui, già alla metà degli anni settanta era ridotto ad un rudere dolente. Fu la sua penosissima agonia, protrattasi per oltre sei anni, nel corso dei quali la sua voce arrochita e sempre più flebile si levò più volte a dignitosamente invocare la morte liberatrice, che venne finalmente il 9 giugno del 1883 a Firenze. Atto Vannucci moriva non vecchissimo, ma i travagli della sua vita movimentata e laboriosa ne avevano precocemente logorato la non solidissima fibra. Per sua volontà fu sepolto nel cimitero di San Miniato al Monte, dove già riposavano gli amici suoi diletti Pietro Giannone, Giuseppe Giusti e Giovanni Frassi. Lasciò per testamento i suoi libri al Collegio Cicognini di Prato, dove ancora si conservano nella Biblioteca Vannucciana.