En Madrid participa del mundo literario y teatral, formando parte de la compañía teatral de María Guerrero y Fernando Díaz de Mendoza. En 1907 obtiene la cátedra de Francés en Soria. Tras un viaje a París con una beca de la Junta de Ampliación de Estudios para estudiar filosofía con Bergson y Bédier, fallece su mujer - con la lleva casado tres años -  y este hecho le afecta profundamente. Pide el traslado a Baeza, donde continúa impartiendo francés entre 1912 y 1919, y posteriormente se traslada a Segovia buscando la cercanía de Madrid, destino al que llega en 1932. Durante los años que pasa en Segovia colabora en la universidad popular fundada en dicha ciudad.

Durante los años veinte y treinta escribe teatro en colaboración con su hermano Manuel. En la Guerra Civil Machado no permanece en Madrid ya que es evacuado a Valencia en noviembre de 1936. Participa en las publicaciones republicanas y hace campaña literaria. Colabora en Hora de España y asiste al Congreso Internacional de Escritores para la Defensa de la Cultura. En 1939 marcha a Barcelona, desde donde cruza los Pirineos hasta Coillure. Allí fallece al poco tiempo de su llegada.

En la evolución poética de Antonio Machado destacan tres aspectos: el entorno intelectual de sus primeros años, marcado primero por la figura de su padre, estudioso del folclore andaluz, y después por el espíritu de la Institución Libre de Enseñanza; la influencia de sus lecturas filosóficas, entre las que son destacables las de Bergson y Unamuno; y, en tercer lugar, su reflexión sobre la España de su tiempo. La poética de Ruben Darío, aunque más acusada en los primeros años, es una influencia constante.

El teatro escrito por los hermanos Machado está marcado por su poética y no permanece en los límites del teatro comercial del momento. Sus obras teatrales se escriben y estrenan entre 1926 (Desdichas de la fortuna o Julianillo Valcárcel) y 1932 (La duquesa de Benamejí) y consta de otras cinco obras, además de las dos citadas. Son Juan de Mañara (1927), Las adelfas (1928), La Lola se va a los puertos (1929), La prima Fernanda (1931) - escritas todas en verso - y El hombre que murió en la guerra, escrita en prosa y no estrenada hasta 1941. Además, los hermanos Machado adaptan para la escena comedias de Lope de Vega como El perro del hortelano o La niña de Plata, así como Hernani de Víctor Hugo.

En 1927 ingresa en la Real Academia y un año después conoce a la poetisa Pilar de Valderrama, la "Guiomar" de sus poemas, con la que mantiene relaciones secretas durante años.