Kircher nació en el estado alemán de Hesse, hijo de Johannes Kircher, filósofo y doctor en teología por la Universidad de Maguncia, y el menor de 6 hermanos. Athanasius se formó primero en la abadía jesuita de Funlda, para pasar a los 16 años al seminario de Padeborn. En 1628 es ordenado sacerdote de la Compañía de Jesús, destacando en el estudio de las ciencias naturales y las lenguas clásicas. También en esta época comenzó su interés por los jeroglíficos egipcios, pasión que le acompañará toda su vida. 

En 1635 se traslada a Roma, su base de operaciones donde estudió y trabajó hasta su muerte. Allí dio clases de matemáticas, física y lenguas orientales en el Collegio Romano, con alumnos como Filippo Buonanni o Gaspar Schott. Unos años después fue relevado de esa función para poder dedicarse en exclusiva a la investigación, actividad que desarrolló ampliamente abordando temas muy diversos como matemáticas, astronomía, geografía, geología, física, química, óptica, magnetismo, música, geometría o bacteriología. También dominó 11 idiomas (entre ellos copto y chino), y se interesó por la antropología de China o la egiptología. Este polímata alemán, apodado el maestro de las cien artes, es hoy en día considerado uno de los sabios más grandes de la historia, habiendo sabido reflejar sus saberes en 44 libros publicados en 158 tomos a lo largo de toda su vida.

En 1638 Athanasius viaja al Estrecho de Mesina, viéndose atraído por los ruidos subterráneos. Esto le lleva a estudiar las erupciones volcánicas del Etna y al Stromboli, coincidiendo con la erupción del Vesubio de 1630. También le sorprendió en su trayecto el terremoto que destruyó Euphemia. Tras examinar fósiles de mamuts en Trapani y Palermo, descendió con una cuerda al cráter del Vesubio para observar su estructura interna. Todos estos trabajos dieron lugar en 1664 a su obra Mundus Subterraneus, considerado como el primer tratado sistemático de Geología, en el que se explica el funcionamiento del mundo oculto bajo la superficie de la Tierra. El esta obra, entre otras cosas, proponía que las mareas estaban causadas por el movimiento de un océano subterráneo.

Kircher fue uno de los primeros en observar microbios, adelantándose a su tiempo al proponer que la peste bubónica era causada por un microorganismo infeccioso, y sugerir medidas eficaces para la prevención de la enfermedad (aislamiento, quema de ropas usadas o uso de mascarillas).

Investigó también los fenómenos asociados a la luz, e inventó el modelo que se considera más perfecto de linterna mágica, en el que colaboró con su discípulo Gaspar Schott, mejorando la cámara oscura desarrollada anteriormente y considerada la antecesora de los proyectores de cine. También inventó el arpa eolia (un instrumento musical de cuerda que emitía sonidos con el paso de las corrientes de aire), una máquina de escribir, órganos musicales con autómatas alimentados por agua, megáfonos, audífonos y altavoces, el primer termómetro de mercurio, un reloj botánico con un girasol, espejos de fuego, etc.

En 1667 publica China Monumentis, qua sacris qua profanis, un texto sobre China, India y otros países asiáticos basado en descripciones de exploradores europeos, pertenecientes también a la Compañía de Jesús. La obra se ilustra con dos magníficos mapas desplegables y más de 80 ilustraciones grabadas al cobre donde se figuran paisajes de las diferentes regiones, sus gentes y costumbres, alfabetos, edificios, animales y plantas, tanto a página completa como a media página.

Publicó también Arca Noae (1675), dedicado a explicar la distribución de los animales dentro del Arca de Noé y donde concluye que las especies actuales son el resultado de los cruces de aquellos cincuenta pares de animales que sobrevivieron al Diluvio Universal.

Pese a que fue el intelectual más respetado de su iglesia, algunas de sus investigaciones desafiaron los límites del pensamiento aceptable, adentrándose en materias como la cábala, la alquimia y el ocultismo. Sus teorías cosmológicas, por ejemplo, parecían compatibles con las ideas de Copérnico y de Galileo, por lo que la inquisición tenía elaborado un documento interno en el que se enumeraban los pasajes más preocupantes de las obras de Kircher por si en un futuro tenía que intervenir. 

Además, Kircher ideó una lengua universal con 27 caracteres, y fue el primero en traducir el texto alquímico La Tabla Esmeralda del árabe al latín. dada su experiencia con las lenguas, en 1639 había sido requerido por el bibliotecario del emperador Rodolfo II para descifrar un misterioso manuscrito profusamente ilustrado, atribuido a Roger Bacon. Tras fracasar en sus intentos de descifrarlo, lo donó a su muerte al Collegio Romano, donde permaneció hasta que el bibliófilo lituano Wilfrid M. Voynich (1865-1930) lo adquirió en 1912. A día de hoy, a pesar de haber sido estudiado por numerosos criptógrafos, el Manuscrito Voynich todavía no ha podido ser descifrado.