Atalanta ditubuhkan pada tahun 1907 manakala kelab bola sepak lain telahpun ditubuhkan di Bergamo sejak 1904. Kelab ini ditubuhkan oleh imigran kaya Swiss, ia dikenali sebagai FC Bergamo. Pesaing Atalanta mula semakin berkembang apabila keluar dari divisyen antara sukan di kota itu. Nama "Atalanta" ini diambil daripada atlet wanita di dalam mitologi Yunani. Persekutuan Bola Sepak Itali (FIGC) belum yakin akan kelab baru ini dan secara rasminya FIGC tidak mengakui Atalanta secara rasmi sehingga 1914. Kelab Atalanta kini merupakan pergabungan antara Atalanta dan pasukan ketiga yang dipanggil Bergamasca. Pada mulanya, warna biru dan hitam dan jersi kedua kelab, warna biru dan putih dipilih sebagai warna bagi kelab baru ini yang dinamakan Atalanta Bergamasca di Ginnastica e Scherma 1907 pada tahun 1924. Pasukan ini berpindah ke tapak gelanggang mereka yang gunakan hingga sekarang, Viale Giulio Cesare pada tahun 1928.

Atalanta sertai liga Itali pada 1929 dan melangkah ke Serie A pada tahun 1937 tetapi tersingkir selepas hanya melalui satu musim. Atalanta kemudian kembali ke divisyen pertama pada tahun 1940 dan kekal di situ sehingga tahun 1959 sebelum disingkirkan. Selepas hanya menghuni satu musim di Serie B, kelab ini memperoleh kenaikan dan kekal di situ buat empat dekad sebelum tersingkir buat kali ketiga dalam sejarahnya pada tahun 1973 yang membawa kepada tempoh tidak menentu, prestasi turun naik antara dua divisyen itu.

Kelab ini mencatat kedudukan tertingginya di Serie A pada tahun 1948 apabila menduduki tempat kelima liga. Pada tahun 1981, Atalanta jatuh ke Serie C1, satu tamparan besar buat kelab. Namun, mereka berjaya kembali semula ke Serie B dan ke Serie A pada tahun 1984. Prestasi Atalanta di Serie A tidak menentu apabila tidak berjaya mengelakkan zon penyingkiran pada tahun 1987, 1994, 1998, 2003, 2005 dan 2010. Selepas penukaran pemilik pada 2011, Atalanta dengan pantasnya kembali ke Serie A dan sejak itu, ia berjaya menghuni divisyen itu hingga kini.

Dalam terma kejuaraan trofi, mereka telah merangkul piala domestik Itali, Coppa Italia pada 1963 selain kelab ini juga berjaya mara ke peringkat jauh di kejohanan-kejohanan Eropah. Wakil Wales, Merthyr Tydfil mengecewakan Atalanta 2-1 pada perlawanan pertama yang berlangsung di Penydarren Park pada saingan Piala Pemenang Eropah 1987–88. Selepas Atalanta menang perlawanan timbang balik, 2-0 di Bergamo, Atalanta mara ke separuh akhir sebelum tewas kepada pemenang pada edisi itu, Mechelen dari Belgium. Kemaraan Atalanta ke peringkat separuh akhir membuatkan kelab ini salah satu daripada dua kelab yang melangkah ke pusingan jauh sebegini ketika bermain di selain divisyen teratas liga. Anehnya, satu lagi pasukan yang mampu berbuat demikian ialah pasukan satu negara Merthyr Tydfil, Cardiff City.

Atalanta melangkah ke peringkat suku akhir Piala UEFA pada musim 1990-91 sebelum tewas kepada pasukan dari satu liga yang sama, Internazionale, yang akhirnya menjadi juara kejohanan itu dengan menumpaskan Roma pada aksi final. Selepas tahun 1991, Atalanta tidak pernah beraksi di kejohanan Eropah walaupun menolak peluang untuk beraksi di Piala Intertoto UEFA pada 2001 selepas menamatkan musim di tempat ketujuh di Serie A dan tempat Atalanta diambil oleh pesaing tradisi, Brescia yang tewas pada perlawanan akhir menentang kelab gergasi Perancis, Paris Saint-Germain.

Pada tahun-tahun kini, kelab ini disingkirkan ke divisyen dua selepas musim 2002–03, 2004–05 dan 2009–10 tetapi memperoleh kenaikan ke Serie A selepas hanya satu musim "bermukim" di Serie B pada setiap kali.

Pada musim 2011–12, Atalanta dipotong enam mata di kedudukan liga oleh kerana skandal bola sepak. Meskipun demikian, kelab ini mampu memperoleh 52 mata dalam 38 perlawanan (rekod kelab). Pada tahun berikutnya dengan alasan yang sama, Atalanta dipotong dua mata tetapi berjaya mengelakkan penyingkiran dengan menghuni tempat ke-15 dalam carta kedudukan liga. Pada musim 2013–14, Atalanta menikmati kempen cemerlangnya dengan menduduki tempat kesebelas pada hari terakhir musim.

Atalanta tetap bersungguh-sungguh beraksi pada musim 2014–15 walaupun beberapa keputusan menarik. Pada permulaan musim, pengurus Stefano Colantuono menyerahkan masa depannya kepada kelab. Pada 4 Mac 2015, beliau dipecat selepas prestasi hambar dengan meninggalkan Atalanta sekadar tiga mata di atas zon penyingkiran. Beliau digantikan oleh Edoardo Reja, yang mengemudi kelab buat musim 2015–16, yang mana Atalanta menamatkan musim di tempat ke-13.