Concourant pour l'URSS dans les années 1960, il remporte la médaille d'or du 110 m haies lors des Championnats d'Europe 1962 de Belgrade devant l'Italien Giovanni Cornacchia. Vainqueur des Universiades d'été de 1963, Anatoliy Mikhailov monte sur la troisième marche du podium des Jeux olympiques de 1964, à Tokyo, s'inclinant finalement face aux Américains Hayes Jones et Blaine Lindgren.