C'est en URSS que, très jeune, il fait ses débuts au cinéma comme acteur avant de devenir ensemblier, puis assistant-réalisateur, en 1923. En 1925, il réalise son premier film, Tatiana, avant d'aller en Allemagne où il effectue le montage de La Rue sans joie de Georg Wilhelm Pabst (1925). Puis il est de nouveau assistant-réalisateur et réalisateur de plusieurs productions allemandes.
En 1939, il réalise un des premiers films ouvertement antihitlériens produit aux États-Unis : Les Aveux d'un espion nazi. Le film est basé sur l'histoire vraie d'un agent du F.B.I qui a réussi à démanteler un réseau d'espions allemands. La sortie du long-métrage suscite une certaine hostilité et une salle de cinéma projetant le film est même incendiée par une bande de sympathisants nazis.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, Anatole Litvak réalise avec Frank Capra, entre 1942 et 1945, trois des sept films de la série Pourquoi nous combattons (Why We Fight) commandée par le gouvernement des États-Unis, à l'intention des soldats américains avant leurs combats en France, qui est souvent considérée comme un chef-d'œuvre de propagande. En 1942, son premier épisode, Prelude to War, obtint un Oscar dans la catégorie « documentaire ».
Après la guerre, Litvak réalise The Long Night, un remake du film Le jour se lève dans lequel Henry Fonda reprend le rôle tenu par Jean Gabin. The Long Night est généralement jugé inférieur à son modèle. Litvak tourne ensuite deux de ses films les plus célèbres : Raccrochez, c'est une erreur et La Fosse aux serpents. Le premier est un film d'angoisse écrit par Lucille Fletcher qui adapte sa pièce radiophonique. Barbara Stanwyck y incarne une femme qui découvre qu'on veut la tuer. Le second est l'adaptation d'un roman semi-autobiographique de Mary Jane Ward. Olivia de Havilland y tient le rôle d'une femme qui séjourne dans une institution psychiatrique. Les deux films seront de gros succès au box-office. La Fosse aux serpents sera en outre en nomination pour six Oscars.
Il a été marié avec l'actrice américaine Miriam Hopkins, de 1937 à 1939, avant d'épouser, en secondes noces, le mannequin français Sophie Steur, le 2 décembre 1955, qui restera sa compagne jusqu'à son décès, en 1974, et mourra peu après lui.
1943 : Pourquoi nous combattons (Why We Fight), coréalisé avec Frank Capra (film de propagande), dont Prélude à la guerre (Prelude To War), Les nazis attaquent (The Nazis Strike) et Diviser pour régner (Divide and Conquer), La Bataille d'Angleterre (The Battle of Britain), La Bataille de Russie (The Battle of Russia), La Bataille de Chine (The Battle of China), L'Amérique en guerre vous parle (War Comes to America)
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