אביו: ר' משה.
אשתו: מרת פצוניה (בזיווג ראשון), מרת אסתר (בזיווג שני).
אחיו: ר' משה.
סבא: ר' חיים הזקן (מצד אביו).
מוריו: ר' משה (אביו) ור' חיים (סבו).
מתלמידיו: ר' אברהם ישמעאל חי סינגויטי, ר' דוד חסן, ר' חיים יוסף דוד אזולאי [החיד"א], ר' שם טוב גבאי, ר' יונה נבון.

נולד בשנת ה'תנ"ו בעיר סאלי (מרוקו) למשפחת עטר שפירושו בערבית "בושם" [על-שם עיסוקם במשך דורות במסחר בבשמים] ונקרא 'חיים' על שם סבו.
מילדותו שקד על לימוד התורה עם סבו, למד את מקצוע הצורפות והתמחה בשזירת חוטי זהב וכסף בבגדים. עקב גזירות המושל המקומי נאלץ בשנת ה'תס"ה לברוח עם משפחתו לעיר מקנס (מרוקו) והתגורר בביתו של ר' משה די אבילה עד שמשפחתו שבה לסאלי בשנת ה'תס"ח.
נשא לאישה את בתו של ר' משה ממקנס [בנו של ר' שם טוב-אחיו של ר' חיים הזקן], שנהגה להתעטף בטלית ותפילין ונסמך על שולחן חותנו. שקד יומם ולילה על לימוד התורה ועל אף גילו הצעיר הקדיש כל יום זמן ללמד תורה ולדרוש בפני הציבור. ערך סיגופים ומיעט באכילה אולם לכבוד שבת אכל כמויות מזון גדולות, נהג להתענות מי"א עד י"ג אדר לילה ויום ברציפות, התבודד במשך ימים שלמים ועסק בכתיבת ספרו "אור החיים", גילו לו בחלומותיו פירושים לתורה וזכה לרוח הקודש.
לאחר פטירת חותנו בשנת ה'תפ"ה נאלץ לשוב לסאלי, פתח את הישיבה שניהל סבו ותמך מכספו בתלמידים אולם נמנע מלפסוק הלכות. ביתו היה פתוח לרווחה לכל נזקק ובכל יום חמישי נהג לשחוט עגל ולחלק את הבשר לתלמידי חכמים עניים לכבוד סעודות השבת. כאשר נודע לו כי נגזר עליו שנת גלות היות ולא מחה באחד מעשירי העיר שביזה תלמיד חכם שהגיע לקבל את מנת הבשר, נדד מעיר לעיר והשתדל שלא ללון שני לילות במקום אחד.
כאשר סיים את נדודיו שב לעיר סאלי והמשיך בלימוד התורה ובעזרה לנזקקים. נשבע שלא יעסוק במלאכה לאחר שירוויח את הסכום הדרוש למחייתו למשך החודש ויקדיש את כל זמנו ללימוד התורה על כן סרב לשזור את בגדי בת המושל לכבוד חתונתה. לאחר שהמושל ציווה להכניסו לכלוב עם אריות מורעבים ניצל והחליט לעלות לארץ ישראל.
בדרכו הגיע לפאס ומונה ע"י ר' שמואל אלבז כראש ישיבה. בעקבות הרעב הכבד בשנת ה'תצ"ח עבר לטיטואן, כאשר עבר את הגבול לאלג'יריה נתפס ונידון לשריפה בכבשן האש אולם בעזרת אחד מתלמידיו הצליח להימלט מהכלא.
מאחר ולא זכה לילדים שמע לעצת זוגתו ונשא לאשה שניה את בתו של ר' מאיר ביבאס בנוסף לאשתו הראשונה ונולדו לו רק בנות.
בערב חג השבועות שנת ה'תצ"ט הגיע לנמל ליוורנו (איטליה), בני הקהילה העניקו לו דירה מפוארת ומשכורת חודשית מכובדת וסייעו בהדפסת ספריו 'אור החיים' ו'פרי תואר'. נסע לערים שונות באיטליה על מנת לגייס תורמים להקמת בית מדרש בירושלים, בחודש חשון ה'תק"א הגיע למודנה, בסוף החורף שהה בפררה, המשיך למנטובה ובראש חודש אב שנת ה'תק"א הפליג מנמל ליוורנו עם עשרה מתלמידיו ומשפחותיהם. במהלך ההפלגה שהה ימים אחדים בסיציליה ובהגיעם לאלכסנדריה (מצרים) ביקשו מרב החובל להפליג לנמל יפו אולם רב החובל טעה ובסוף חודש אלול הגיע לנמל עכו (ישראל).
בירושלים השתוללה מגיפה על-כן התיישב בעכו, ייסד ישיבה ומידי חודש הגיע לקברי צדיקים באזור. לא נענה לבקשותיו של ר' חיים אבולעפיה לקבוע את מושבו בטבריה ובט"ו אלול שנת ה'תק"ב הגיע לירושלים – באותה עת אמר הבעש"ט הקדוש: 'היום נכנס משיח בן יוסף לירושלים'.
התגורר בחצר הבית בו נולד האר"י הקדוש וייסד בו את בית המדרש "כנסת ישראל", עסק בלימוד תורת הנגלה והנסתר כשהוא עטוף בטלית ומעוטר בתפילין, נהג לטבול במקוה כל יום, דיבר רק בלשון הקודש וחדל לדבר בשפת לעז, מעת לעת הגיע לקברות צדיקים באזור וערך תפילות לגאולת עם ישראל, בכל ערב שבת למד הלכות עדות, בכל מוצאי שבת למד כל הלילה וערך תפילות אותן חיבר בעצמו, כתב פיוטים, על אף הטרדות והצרות שעברו עליו התרחק מהעצבות והזהיר כי מי שאינו לומד לשם שמים שלא יעיז לעיין בספרו – חפץ ה'.
ימים אחדים טרם פטירתו אמר לאשתו כי איש עשיר מטורקיה יבקש לרכוש ממנה את התפילין שלו, אולם עליה להזהיר את הקונה להקפיד מאוד על קדושה ושלא לשוחח כאשר יניחן.
ביום שבת י"ד תמוז ה'תק"ג השיב את נשמתו ליוצרה לפנות ערב, באותה עת במז'יבוז' שבאוקראינה [עקב הפרש הזמנים בין ירושלים למז'יבוז' בעת שיצאה השבת בירושלים עדיין היה יום במז'יבוז'] הבעש"ט הקדוש נטל את ידיו לסעודה שלישית ולפתע הכריז 'כבה הנר המערבי' היות ונגלו לו סודות כוונת מצות 'נטילת ידיים' שאינן נודעות אלא לאחד בדור ועד עתה היו אצל ר' חיים בן עטר.
בעל "אהלי יעקב" מהוסיאטין הביא מכתב-יד כי ר' חיים נפטר בי"ד ונטמן בט"ו אך העולם טעו וסברו שנפטר בט"ו וכך נקבע לדורות.
מספריו:
• אור החיים: פירוש על התורה (ק1/ק2)
• חפץ ה': על מסכתות ברכות, הוריות, חולין ושבת (ק)
• פרי תואר: חידושים על יורה דעה (ק)
• פירות גנוסר: על ספר "פרי חדש" (ק)
• ראשון לציון: על 7 מסכתות, על נ"ך, על יורה דעה (ק1/ק2/ק3)