Nació en la Ciudad de México el 19 de diciembre de 1883. Realizó sus estudios en las escuelas Nacional Preparatoria y Nacional de Jurisprudencia de la cual obtuvo su título de licenciado en derecho, pero su vocación lo llevó por los caminos de la filosofía, la sociología, las letras y la estética. 

Gran parte de su vida la dedicó a dar clases, tuvo bajo su responsabilidad las cátedras de filosofía, ética, lógica, estética, filosofía de la historia y sociología en las escuelas Preparatoria, de Jurisprudencia y de Altos Estudios (hoy Facultad de Filosofía y Letras de la Universidad Nacional Autónoma de México)

1906 junto con Pedro y Max Henríquez Ureña, Jesús T. Acevedo, Ricardo Gómez Robelo, Roberto Argüelles Bringas, Rafael López, Carlos González Peña, Manuel Bringas, Alfonso Cravioto y Luis Castillo Ledón funda la revista Savia Moderna y tiempo después se incorporan Alfonso Reyes y José Vasconcelos. 

Un año después se cierra la revista pero fundan el Ateneo de la Juventud, cuya labor cultural se dirigiría a combatir las limitaciones de la corriente positivista en México. El Ateneo inspira a Reyes, Caso y Henríquez Ureña a fundar en 1912 la Universidad Popular a fin de fomentar la cultura en el proletariado. 

En 1914 se disuelve El Ateneo y en la Escuela Nacional Preparatoria se adopta un plan de estudios con las humanidades como materias obligatorias y al año siguiente Antonio Caso ocupa la Dirección de esta Escuela y comienza con sus conferencias sobre el cristianismo en la Universidad Popular.

Además, se desempeñó como secretario de la Universidad Nacional en 1910, rector de la propia Universidad Nacional (1920-1923) y director de la Facultad de Filosofía y Letras en varias ocasiones. Defendió la autonomía universitaria y la libertad de cátedra. Fue miembro de la Academia Mexicana de la Lengua y, en 1943, fue uno de los miembros fundadores de El Colegio Nacional. En 1920 viajó como embajador extraordinario a Perú, Chile, Argentina, Uruguay y Brasil. Las universidades de La Habana, Lima, Guatemala, Buenos Aires y Río de Janeiro le otorgaron el título de Doctor Honoris Causa.

Recibió distintas condecoraciones como: Caballero de la Legión de Honor, en Francia; Gran Cruz de la Orden del Sol, en el Perú; Cruz de la Orden al Mérito, de Primera Clase, en Chile; Oficial de las Palmas Académicas, en Francia; Medalla Goethe für Kunst und Wissenschaft, en Alemania; Medalla del Centenario, del Perú, y Medalla de Hostos.

Entre sus publicaciones destacan:  

La existencia como economía, como desinterés y como caridad 

Discurso a la nación mexicana 

El concepto de la historia universal en la filosofía de los valores 

El problema de México y la ideología nacional

Positivismo, neopositivismo y fenomenología

La persona humana y el Estado totalitario 

Dos obras de versos: Crispopeya  y El políptico de los días del mar 

Murió el 6 de marzo de 1946 y sus restos descansan en la Rotonda de las Personas Ilustres del Panteón Civil de Dolores.