Nazimuddin Samad hackades med machetes vid en vägkorsning sent på onsdagen och sedan sköts, sade polisen.
28-åringen uppges ha varit organisatör av Ganajagran Manch, en sekulariserad kampanjgrupp.
En rad framstående profana bloggare har attackerats eller dödats av religiösa extremister i Bangladesh under det senaste året.
Bangladesh är officiellt sekulärt, men kritiker säger att regeringen har misslyckats med att ta itu med attackerna på rätt sätt.
Vem ligger bakom morden i Bangladesh?
Attacker skickar chockvågor genom Bangladesh
Hotet om småskaliga terrorattacker
Polisen sa att tre angripare på en motorcykel attackerade mr Samad och sköt honom. Dhaka Tribune rapporterade.
Polisen har inte uppgett några misstänkta i fallet eller bekräftat ett religiöst motiv.
Samad, student vid Jagannath University, skrev regelbundet mot religiös extremism på sin Facebook-sida.
Han hade skrivit "Jag har ingen religion" på sin profil under religiösa uppfattningar.
Det har förekommit flera dödliga attacker i Bangladesh under de senaste månaderna, även om det inte står klart vem som ligger bakom dem.
Förra året dödades fyra framstående bloggare med machetes, en i sitt eget hem.
De fanns alla med på en lista över 84 "ateistiska bloggare" som utarbetades av islamiska grupper 2013 och spreds i stor omfattning.
Det har också förekommit attacker mot medlemmar av religiösa minoriteter, däribland Shia, Sufi och Ahmadi Muslims, Kristna och Hindus.
Två utlänningar, en italiensk biståndsarbetare och en japansk man, sköts också ihjäl sent förra året, i till synes slumpmässiga attacker.
Den så kallade islamiska statsgruppen har sagt att den genomförde många av attackerna - men detta har inte kontrollerats självständigt.
Medlemmar av en annan militant islamistisk grupp, Jamaat-ul Mujahideen Bangladesh (JMB), arresterades för ett angrepp på en italiensk katolsk präst sent förra året.
En student i Bangladesh som hade uttryckt världsliga åsikter på nätet har dödats i huvudstaden Dhaka.