Sau khi hoàn tất chạy thử máy và đi vào hoạt động, Atherstone gia nhập Chi hạm đội Khu trục 1 đặt căn cứ tại Portsmouth, và làm nhiệm vụ hộ tống vận tải tại khu vực eo biển Manche.[9] Trong tháng 6 và tháng 7 năm 1940, nó được điều động sang Hạm đội Nhà, rồi quay trở Portsmouth về vào tháng 8.[10] Vào ngày 11 tháng 9, đang khi hộ tống Đoàn tàu CW11 trong eo biển Manche, nó bị ném trúng hai quả bom và suýt trúng một quả thứ ba, bị hư hại đáng kể và khiến năm người thiệt mạng.[9][10][11] Sau khi được sửa chữa tại Xưởng tàu Chatham, con tàu gia nhập trở lại Chi hạm đội Khu trục 1 vào tháng 1 năm 1941, tiếp nối nhiệm vụ hộ tống tại vùng eo biển. Vào tháng 12 năm 1941, sau một đợt tái trang bị tại Southampton, nó được điều sang Chi hạm đội Khu trục 15 đặt căn cứ tại Devonport.[9][10]

Atherstone khởi hành từ Falmouth vào ngày 26 tháng 3 năm 1942 trong thành phần lực lượng tham gia Chiến dịch Chariot, cuộc Đột kích St Nazaire. Đây là hoạt động đổ bộ đột kích cảng St Nazaire tại Pháp với mục tiêu phá hoại cửa ụ tàu Normandie bằng cách húc chiếc tàu khu trục Campbeltown (I42) chứa đầy chất nổ vào ụ tàu, ngăn cản nó được sử dụng để bảo trì thiết giáp hạm Tirpitz. Atherstone cùng tàu chị em Tynedale (L96) đã hộ tống Campbeltown và phần còn lại của lực lượng tấn công, kéo theo chiếc tàu pháo MGB 314 trên đường đi đến St Nazaire.[12] Sáng sớm ngày 27 tháng 3, Tynedale trông thấy tàu ngầm U-593, và hai chiếc tàu khu trục hộ tống đã tấn công chiếc U-boat. Cho dù U-593 sống sót qua cuộc tấn công, các tàu khu trục đã buộc nó phải lặn xuống trong nhiều giờ, ngăn trở nó can thiệp vào cuộc tấn công.[13]

Atherstone được điều sang Chi hạm đội Khu trục 16 vào tháng 5 năm 1942, hộ tống các đoàn tàu vận tải ở bờ biển phía Đông nước Anh.[9] Đến tháng 3 năm 1943, nó được thuyên chuyển sang khu vực Địa Trung Hải và gia nhập Chi hạm đội Khu trục 18.[10] Vào tháng 7 năm 1943, nó tham gia Chiến dịch Husky, cuộc đổ bộ của lực lượng Đồng Minh lên Sicily, Ý, tham gia thành phần bảo vệ cho cuộc đổ bộ của Quân đoàn 30 về phía Tây Nam Syracuse.[10][14] Vào ngày 26 tháng 11, nó cứu vớt khoảng 70 người sống sót từ chiếc tàu chở quân HMT Rohna, vốn bị một quả bom lượn Henschel Hs 293 đánh chìm ngoài khơi bờ biển Algérie.[15]

Vào ngày 23 tháng 9 năm 1945, Atherstone rời Địa Trung Hải để quay trở về Portsmouth, nơi nó ngừng hoạt động và đưa về thành phần dự bị. Nó bị loại bỏ tại Cardiff năm 1953, và bị bán để tháo dỡ tại Glasgow vào ngày 23 tháng 11 năm 1957.[16]