Anathon Aall var en banebryter for norsk eksperimentalpsykologisk forskning. Han stod bak opprettelsen av Psykologisk institutt ved universitetet i Kristiania 1909 og var dets leder gjennom nærmere tre tiår. Han er også kjent for sine oppgjør med både den dogmatiske teologi og den idealistiske filosofi ved universitetet gjennom sin tilslutning til et empirisk vitenskapsideal og historisk-kritisk metode.
Aall vokste opp i Finnmark, Sunnfjord og Vesterålen, alt etter som faren ble forflyttet til nye presteembeter. Etter examen artium i Stavanger 1886 studerte han teologi ved universitetet i Kristiania og ble cand.theol. 1892. Året før ble hans avhandling Om det 4de evangeliums autenti belønnet med Kronprinsens gullmedalje. Etter embetseksamen underviste han et år ved Gjertsens skole i Kristiania. 1893–97 oppholdt han seg med stipend i utlandet (Danmark, Tyskland, Frankrike og Storbritannia) for å studere historisk religionsvitenskap.
Et resultat av reisene var studien Der Logos, der første del ble utgitt 1896, andre del tre år senere. Aall forsøkte her å vise hvordan et at de viktigste dogmene i oldkirkelig og patrisisk litteratur, logosideen, var et resultat av påvirkning fra hellenistisk tenkning.
1897 meldte Aall seg som søker til et professorat i kirkehistorie ved universitetet. Gjennom sine studier i utlandet var han imidlertid kommet frem til anskuelser som ifølge bedømmelseskomiteen “i saa vesentlige henseender afviger fra vor kirkes tro, at han [...] maa erkjendes uskikket til at modtage ansættelse i en post som lærer for kirkens vordende prester”.
Etter denne avvisningen i Norge drog Aall til Storbritannia for å studere britisk erfaringsfilosofi. Studiene skulle ganske snart ta en ny vending: Han ble fascinert av de muligheter eksperimentet syntes å ha for å besvare spørsmål vedrørende menneskets erkjennelse. 1900 drog han til Berlin for å lære seg den nye vitenskapen eksperimentalpsykologi. Aall ble i Tyskland – først i Berlin og deretter i Halle – i til sammen 8 år. I løpet av disse årene gjorde han seg grundig kjent med den eksperimentelle psykologi. Han publiserte i anerkjente tyske tidsskrifter, han deltok på kongresser, og han konstruerte til og med et eget instrument, bathoskopet, til bruk i eksperimentalpsykologiske undersøkelser.
1903 habiliterte (kvalifiserte) Aall seg som universitetslærer i Halle på avhandlingen Ueber die Wirkung der Wiederholung eines Elementes bei gleichzeitiger Vorführung mehrerer Schriftzeichen. 1904–08 underviste han som privatdosent i eksperimentalpsykologi og filosofihistorie ved byens universitet.
Da Aall 1908 tiltrådte stillingen som professor i filosofi ved universitetet i Kristiania, gikk han straks i gang med å bygge opp et eget institutt for psykologi, som han ledet til han falt for aldersgrensen 1937. I tilknytning til egen forskning gav han her kurser i eksperimentalpsykologi, og han holdt forelesninger over pedagogisk psykologi for lærerstudentene. Han formidlet også kontakt til tyske læresteder for sine studenter.
Men Aall bevarte også livet ut sine interesser for idéhistoriske studier. Han publiserte verker om norsk og nordisk filosofihistorie (Filosofien i Norden), og 1906 utkom verket Henrik Ibsen als Dichter und Denker. Utgangspunktet for Aalls historiske verker var troen på en utvikling mot fullkommenhet: Analogt med naturens evolusjon tenkte Aall seg en evolusjon gjeldende for åndslivet og kulturen.
Aalls hovedoppgave som universitetslærer i filosofi var imidlertid undervisningen til de forberedende prøver. I denne forbindelse utarbeidet han lærebøker i logikk, psykologi og filosofihistorie for de studerende. Disse lærebøkene viste til fulle hans brudd med M. J. Monrads filosofiske system.
Aall hadde et sterkt samfunnsetisk engasjement. Som student stiftet han 1889 Christiania Bryggearbeideres Totalafholdsforening, og han arbeidet senere i livet for fredssak og mellomfolkelig forståelse.
Aall var dekanus ved Det historisk-filosofiske fakultet 1918–20 og gjesteprofessor ved Columbia University i New York, USA 1924–25. Han holdt også gjesteforelesninger i andre land, bl.a. Danmark og Japan. Han var medlem av Videnskabsselskabet i Kristiania (nå Det Norske Videnskaps-Akademi) fra 1898.