پدرش آیتالله حاج شیخ محمد جواد آیت‌اللهی و پدر بزرگش آیتالله حاج میرزا عبدالباقی آیت‌اللهی و مادرش دختر آیتالله حاج سید عبدالحسین لاری است.
پنج ساله بود که به مکتب رفت تحصیلات ابتدایی را در دبستان پهلوی شیراز و دوره متوسطه را در دبیرستان های حیات و حاج قوام آن شهر سپری کرد از کودکی به ادبیات و به‌خصوص به نقاشی علاقه‌مند بود، از این رو برای تحصیلات دوره عالی وارد دانشکده هنرهای زیبا دانشگاه تهران شد و در سال 1338 با کسب مقام دانشجوی ممتاز از تحصیل فراغت یافت.
آیت‌اللهی که مشمول قانون اعزام دانشجویان رتبه اول به خارج از کشور بود، راهی فرانسه شد و سه سال در آتلیه‌های لوگو و اوژمه به کسب هنر پرداخت.
سپس به مدرسه عالی هنرهای زیبای پاریس رفت در آنجا شیوه‌های تازه نقاشی و نیز نقاشی دیواری را فرا گرفت پس از آن به مدرسه عالی هنرهای تزئینی پاریس راه یافت و در رشته آذین‌گری، معماری داخلی، نقاشی دیواری جدید، پیکره‌سازی و طراحی صنعتی تخصص گرفت.
به موازات آن در دانشگاه سوربن به تحصیل پرداخت و در سال 1349 در رشته تاریخ هنر تحلیلی و تطبیقی به گرفتن درجه دکترا توفیق یافت. عنوان پایان‌نامه دکترای او مقایسه عناصر هنر ایرانی پیش از اسلام و پس از اسلام است.
سپس به ایران بازگشت و در سمت استادیار در دانشکده هنرهای زیبای دانشگاه تهران به تدریس هنرهای تجسمی پرداخت.
در سال 1351 در مدرسه عالی ساختمان، رشته معماری داخلی را تأسیس کرد که اداره آن نیز با خود وی بود.
در سال 1354 با گرفتن فرصت مطالعاتی بار دیگر عازم فرانسه شد و دوره کارشناسی ارشد زیبایی‌شناسی و دانش هنر و دوره دکترای هنرهای تجسمی علمی و عملی را با موفقیت گذراند و در همان مدت در رشته شهرسازی نیز آموزش یافت و به گرفتن درجه‌ای معادل دکترای در آن رشته نایل شد.
در سال 1356 شش ماه در دانشگاه سوربن به تدریس هنرهای اسلامی پرداخت.
پس از پیروزی انقلاب اسلامی به ایران بازگشت و سرپرستی گروه برنامه‌ریزی هنر و گروه ترجمه و تألیف کتابهای هنری و نیز ریاست دانشکده هنرهای زیبا را به عهده گرفت.
همچنین به عضویت شورای عالی علوم انسانی ستاد انقلاب فرهنگی برگزیده شد.
آیت‌اللهی در سال 1366 از ریاست دانشکده هنرهای زیبای دانشگاه تهران انصراف داد. او در سالهای تصدی خود موفق شد رشته هنر دانشکده معماری و هنر یزد و نیز دانشکده هنر زاهدان را بنیاد نهد.
آیت‌اللهی مؤسس دانشکده هنر دانشگاه شاهد و تدوین‌کننده برنامه‌های آن دانشگاه بود. او از مؤسسان موزه هنرهای سنتی سازمان صنایع دستی است و با موزه هنرهای معاصر در ارزیابی آثار هنری خارجی همکاری کرده است.
برخی آثار این هنرمند عبارتند از: ابعاد ملموس اثر هنری / نشر رجا ، تاریخ تحلیلی هنر ایران از آغاز سکونت آنان در فلات ایران تا جمهوری اسلامی / سازمان فرهنگ و ارتباطات اسلامی، تاریخ هنرهای تجسمی ایران از آغاز تا کنون/ سازمان پژوهشی شریف، مبانی نظری هنرهای تجسمی /انتشارات سمت، مبانی علمی رنگ و کاربرد آن /انتشارات سمت، نگرة هنر انقلاب اسلامی/ نشر عروج ، شیوه‌های مختلف نقد هنری /انتشارات سوره مهر.