Issu d'une famille originaire de Cilicie, né en Galatie en Asie Mineure vers 420, il descend de Procopius, cousin de l'empereur Julien, qui disputa l'empire à Valens en 365.Petit fils d'Anthémios qui avait été consul en 405, patrice puis préfet du prétoire de 408 à 414 sous Arcadius et régent pendant la minorité de Théodose II. Son père Procopius commande les armées d'Orient et obtient des succès contre les Perses en 422 à 424. Il est le gendre de l'empereur Marcien dont il épouse la fille Aelia Marcia Euphemia vers 453. Il a quatre fils Anthemiolus, Fl. Marcianus, Procopius Anthemius, et Romulus.
Comte et commandant militaire en Thrace en 453-454, il renforce la frontière danubienne dégarnie après la mort d'Attila en 453, puis devient Magister Militum entre 454 et 467. Patrice et consul conjointement avec Valentinien III en 455, il est pressenti pour succéder à Marcien en 457 mais Aspar lui préfère Léon. Peu désireux de se lancer dans une usurpation, il sert le nouvel empereur et se distingue par ses victoires d'abord sur les Ostrogoths de Valamer en 459-464 puis sur les Huns commandés par Hormidac en Pannonie à Serdica durant l'hiver 466-467. Il est nommé César par Léon Ier au début de 467 pour mettre fin à la vacance du trône d'Occident depuis la mort de Sévère III en novembre 465. Léon obtient l'accord du Magister Militum Ricimer qui gouverne l'Italie et qui cherche l'appui de l'Orient contre les Vandales, qui supportent Olybrius. Nommé empereur d'Occident par Léon, Anthémius part pour l'Italie à la tête d'une armée commandée par Marcellinus, maître de la milice de Dalmatie et est proclamé Auguste par les troupes d'Occident le 12 avril 467. Il donne peu après sa fille Alypia en mariage à Ricimer en novembre-décembre 467.
Sidoine Apollinaire prononce son panégyrique le 1er janvier 468 à Rome. Anthémius est un esprit curieux mais sceptique et irascible. Il s'entoure d'une cour de néo-platoniciens. En Italie, il n'est guère populaire. Il reste un Grec et choque le peuple par son train de vie et son entourage. Ses pratiques magiques, son soutien au paganisme font scandale.
En 468, les deux empereurs d'Orient et d'Occident décident d'une attaque navale combinée contre les Vandales. Mais Léon nomme à la tête des troupes d'Orient Basiliscus, notoirement incompétent et Anthémius à la tête des troupes d'Occident, Marcellinus, maître de la milice de Dalmatie et ennemi de toujours de Ricimer. Marcellinus attaque avec succès les bases Vandales en Sardaigne et débarque en Tripolitaine, mais Basiliscus conduit la flotte d'Orient à un désastre devant Carthage défendue par Geiseric. Le reste de la flotte se réfugie avec Marcellinus et Basiliscus en Sicile. Marcellinus y est assassiné dans un complot ourdi par Ricimer.
En Gaule, Euric qui a assassiné son frère Theodoric II et pris le trône des Wisigoths, veut prendre le contrôle de la Gaule toute entière. Les troupes d'Anthémius sont battus sur le Rhône et le fils d'Anthémius, Anthemiolus et trois généraux romains sont tués durant la bataille.
Anthemius et Ricimer ne s'entendent pas. Anthémius traite Ricimer de "Gète vêtu de fourrures" ou "Barbare" et Ricimer l'appelle "mauvais Grec" ou "Galate emporté". Après la série de défaite d'Anthémius, la situation se détériore rapidement. En 470 la rupture est consommée. Ricimer quitte Rome pour Milan. L'évêque de Ticinum fait office de médiateur et arrive à la réconcilier pour peu de temps.
En mars 472, Ricimer marche sur Rome avec son armée où se retranche Anthémius soutenu par des troupes Wisigothes. Olybrius envoyé par l'empereur d'Orient pour réconcilier les deux hommes, est proclamé empereur d'Occident par les troupes de Ricimer. Ricimer assiège Rome pendant trois mois et prend la ville quartier par quartier après avoir pris le Pont Aelius sur le Tibre..
Le 11 juillet 472, les soldats de Ricimer découvrent Anthémius caché parmi un groupe de mendiants dans l'église Saint Chrysogone. Fait prisonnier, il est décapité sur ordre de Gondebaud, neveu de Ricimer.