Cheikh Anta Diop est né le 29 décembre 1923 à Thieytou, dans la région de Diourbel (Sénégal). Sa famille est d'origine artistocratique wolof. À l'âge de 23 ans, il part pour Paris afin d'étudier la physique et la chimie mais se tourne aussi vers l'histoire et les sciences sociales. Il suit en particulier les cours de Gaston Bachelard et de Frédéric Joliot-Curie. Il adopte un point de vue spécifiquement africain face à la vision de certains auteurs de l'époque selon laquelle les Africains sont des peuples sans passé.
En 1951, Diop prépare sous la direction de Marcel Griaule une thèse de doctorat à l'Université de Paris, dans laquelle il affirme que l'Égypte antique était peuplée d'Africains noirs, et que la langue et la culture égyptiennes se sont ensuite diffusées dans l'Afrique de l'Ouest. Il ne parvient pas dans un premier temps à réunir un jury mais, d'après Doué Gnonsoa, sa thèse rencontre un « grand écho » sous la forme d'un livre, Nations nègres et culture, publié en 1954. Il obtiendra finalement son doctorat en 1960. Il poursuit dans le même temps une spécialisation en physique nucléaire au laboratoire de chimie nucléaire du Collège de France. Diop met à profit sa formation pluridisciplinaire pour combiner plusieurs méthodes d'approche.
Il s'appuie sur des citations d'auteurs anciens comme Hérodote et Strabon pour illustrer sa théorie selon laquelle les Égyptiens anciens présentaient les mêmes traits physiques que les Africains noirs d'aujourd'hui (couleur de la peau, aspect des cheveux, du nez et des lèvres). Son interprétation de données d'ordre anthropologique (comme le rôle du matriarcat) et archéologique l'amène à conclure que la culture égyptienne est une culture nègre. Sur le plan linguistique, il considère en particulier que le wolof, parlé aujourd'hui en Afrique occidentale, est phonétiquement apparenté à la langue égyptienne antique.
Lorsqu'il obtient son doctorat en 1960, il revient au Sénégal enseigner comme maître de conférences à l'université de Dakar (depuis rebaptisée université Cheikh-Anta-Diop, UCAD). Il y obtiendra en 1981 le titre de professeur. Mais dès 1966, il crée au sein de cette université de Dakar le premier laboratoire africain de datation des fossiles archéologiques au radiocarbone, en collaboration avec celui du Commissariat français à l'énergie atomique (CEA) de Gif-sur-Yvette. Il y effectue des tests de mélanine sur des échantillons de peau de momies égyptiennes, dont l'interprétation permettrait, selon Diop, de confirmer les récits des auteurs grecs anciens sur la mélanodermie des anciens Égyptiens.
Dans les années 1970, Diop participe au comité scientifique qui dirige, dans le cadre de l'UNESCO, la rédaction d'une Histoire générale de l'Afrique. Pour la rédaction de cet ouvrage, il participe en 1974 au Colloque international du Caire où il confronte les méthodes et résultats de ses recherches avec ceux des principaux spécialistes mondiaux. À la suite de ce colloque international, il lui est confié la rédaction du chapitre consacré à l'origine des anciens Égyptiens.
Le rapport final du colloque mentionne l'accord des spécialistes — à l'exception de l'un d'entre eux — sur les éléments apportés par Cheikh Anta Diop et Théophile Obenga au sujet de la filiation entre la culture égyptienne ancienne et les cultures africaines. Ainsi, pour le professeur Jean Vercoutter, « l'Égypte était africaine dans son écriture, dans sa culture et dans sa manière de penser ». Le professeur Leclant a reconnu ce même caractère africain dans le tempérament et la manière de penser des Égyptiens. La communauté scientifique reste néanmoins partagée sur la nature du peuplement de l'Égypte ancienne : principalement composé de Noirs jusqu'à la perte de l'indépendance pour certains, mixte selon d'autres experts.
Par ailleurs, dès 1947, Diop s'est engagé politiquement en faveur de l'indépendance des pays africains et de la constitution d'un État fédéral en Afrique. « Jusqu'en 1960, il lutte pour l'indépendance de l'Afrique et du Sénégal et contribue à la politisation de nombreux intellectuels africains en France. Entre 1950 et 1953, il est secrétaire général des étudiants du Rassemblement démocratique africain et dénonce très tôt, à travers un article paru dans La Voix de l'Afrique noire, l'Union française, qui, « quel que soit l'angle sous lequel on l'envisage, apparaît comme défavorable aux intérêts des Africains ». Poursuivant la lutte sur un plan plus culturel, il participe aux différents congrès des artistes et écrivains noirs et, en 1960, il publie ce qui va devenir sa plate-forme politique : Les fondements économiques et culturels d'un futur État fédéral en Afrique noire. »
Selon Doué Gnonsoa, Diop sera l'un des principaux instigateurs de la démocratisation du débat politique au Sénégal, où il animera l'opposition institutionnelle au régime de Léopold Sédar Senghor, à travers la création de partis politiques (le FNS en 1961, le RND en 1976), d'un journal d'opposition (Siggi, renommé par la suite Taxaw) et d'un syndicat de paysans. Sa confrontation, au Sénégal, avec le chantre de la négritude serait l'un des épisodes intellectuels et politiques les plus marquants de l'histoire contemporaine de l'Afrique noire.
Cheikh Anta Diop meurt dans son sommeil à Dakar, le 7 février 1986. Avec Théophile Obenga et Asante Kete Molefe, il est considéré comme l'un des inspirateurs du courant épistémologique de l'afrocentricité. En 1966, lors du premier Festival mondial des Arts nègres de Dakar, Diop a été distingué comme « l'auteur africain qui a exercé le plus d'influence sur le XXe siècle ».
Le 8 février 2008, le ministre de la Culture du Sénégal Mame Birame Diouf inaugure un mausolée perpétuant la mémoire du chercheur à Thieytou, son village natal où il repose. Ce mausolée figure sur la liste des sites et monuments classés du Sénégal.
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