Atanassow trat im Jahr 1923 der Bulgarischen Kommunistischen Partei (BKP) bei und beteiligte sich im gleichen Jahr am Septemberaufstand. 1925 ging er ins Exil in die Sowjetunion. Er besuchte dort eine politische Hochschule und arbeitete für die Komintern. Von 1936 bis 1939 war Atanassow auf republikanischer Seite im Spanischen Bürgerkrieg aktiv. Während des Zweiten Weltkriegs kämpfte er für die Sowjetunion und für die bulgarischen Partisanen.