عطاءالله خرم از جوانی به راهنمایی دایی خود با موسیقی آشنا شد و مدتی با روبیک گریگوریان و نیز ابوالحسن صبا کار کرد. وی یکی از برجسته‌ترین آهنکسازان پیشتاز در زمینه موسیقی مدرن بود.

او ترانه‌های بسیاری برای خوانندگانی مانند ویگن، دلکش، ایرج، هایده، رامش، عارف، منوچهر سخایی، روانبخش، حمیرا، رامین، راشین و محمدرضا شجریان آهنگ ساخت که در زمان خود بسیار مورد استقبال قرار گرفتند و از میان آن‌ها چندین ترانه جاودانه شد و به یادگار ماند. در زمرهٔ صدها اثر او می‌توان از بارون بارونه، شاه دوماد، دو کبوتر، شکوفه‌ها، بی ستاره‌، کجاوه، ساقی، دختر دریا و رقیب با صدای ویگن، طلسم آرزوها با صدای عارف، لاله و گل با صدای ایرج و ترانه پرستو با صدای منوچهر سخایی یاد کرد. وی مدت‌ها رهبر ارکستر جاز رادیو ایران بود.

او در سال‌های پیش از مرگ در لس آنجلس زندگی می‌کرد و نیز چند جلد کتاب (گلستان موسیقی و همچنین ردیف‌های موسیقی ایرانی) در مورد تاریخ موسیقی ایران منتشر کرد.