Родился 20 ноября 1928 года в городе Владимире в семье актеров Московского Художественного академического театра Владимира Петровича Баталова и Нины Антоновны Ольшевской. Впоследствии мама вышла замуж за писателя В. Е. Ардова.
Учась в школе, он сыграл свою первую кинороль в фильме Л. Арнштама "Зоя". В 14 лет Баталов впервые вышел на сцену в Бугульме, где в эвакуации его мать создала свой театр.
В 1950 году, окончив Школу-студию МХАТа, поступил на работу во МХАТ. Однако подошло время службы в армии, и в 1950 году среди других талантливых молодых актеров Москвы он был командирован в труппу Театра Советской армии, прослужив там несколько лет. В 1953 году Алексей Баталов вернулся в родной МХАТ.
Снявшись в 1954 году в с роли Алексея Журбина в кинокартине "Большая семья" И. Хейфица, А. Баталов навсегда связал свою жизнь с кинематографом. Всего у И. Хейфица А. Баталов снялся в 5 картинах: "Большая семья" (1954), "Дело Румянцева" (1955), "Дорогой мой человек", "Дама с собачкой" (1960), "День счастья" (1964).
В 1956 году М. Донской приглашает Алексея Баталова на роль Павла Власова в картину "Мать" по одноименной повести А. М. Горького. Фильм "Летят журавли" режиссера М. Калатозова (1957) вошел в золотой фонд отечественного и мирового кинематографа.
Свидетельство тому - Золотая пальмовая ветвь на Международном кинофестивале в Каннах (1958), множество призов на других престижных фестивалях, любовь и признание миллионов зрителей. В 1962 году режиссер М. Ромм снимает фильм "9 дней одного года". Баталов играет в нем главную роль физика Гусева, который воплотил на экране образ героя своего времени, отнюдь не плакатного, умного, преданного своей идее, своей Родине ученого. Эта картина была справедливо признана критиками и общественностью самой новаторской картиной того времени.
Среди ролей А.Баталова не было проходных - "Живой труп" В. Венгерова по одноименной пьесе Л. Толстого (1969 г.); "Бег" А. Алова и В. Наумова по мотивам произведений М. Булгакова (1971 г.); "Чисто английское убийство" С. Самсонова (1974 г.); "Звезда пленительного счастья" В. Мотыля (1975 г.); "Сгореть, чтобы светить" Н. Чернева (Болгария, 1975 г.); "Москва слезам не верит" В. Меньшова (1979 г.); "Скорость" В. Светозарова (1983 г.), "Зонтик для новобрачных" (1986 г.), - простой перечень этих картин воскрешает личные ассоциации, воспоминания у зрителей разных поколений, убеждает в значительности, неординарности творческой биографии актера.
Однако две киноленты, две роли все-таки стоят особняком. Классика - пьеса "Бег" М. Булгакова, которую блистательно экранизировали А. Алов и В. Наумов и современная мелодрама - "Москва слезам не верит", получившем высшее признание в мировом киноискусстве - премию "Оскар".
В качестве режиссера-постановщика Баталов снял три картины. Это экранизации классических произведений: "Шинель" по Н.Гоголю (1960), "Три толстяка" по Ю.Олеше (1966, совместно с И.Шапиро), "Игрок" по Ф.Достоевскому (1973).
Особое место занимает в творчестве А. В. Баталова работа на радио. Его радиотеатр - это театр живого актера, живого многогранного образа, бережного внимания к слову. Среди радиопостановок А.Баталова: "Казаки" Л. Н. Толстого, "Белые ночи" Ф. М. Достоевского, "Поединок" А. В. Куприна, "Герой нашего времени" М. Ю. Лермонтова, "Ромео и Джульетта" В. Шекспира.
С 1975 года творческая биография А. В. Баталова обрела новую грань - он стал художественным руководителем, профессором и заведующим кафедрой актерского мастерства Всероссийского Государственного института кинематографии им.С. А. Герасимова.
Огромный вклад А. В. Баталова в развитие отечественной культуры высоко оценен высшими государственными и общественными наградами. Он удостоен почетного звания Народного артиста СССР (1976), ему присвоены звание Герой Социалистического труда (1989), Государственная премия СССР за фильм "Москва слезам не верит" (1981), Государственная премия РСФСР за художественный фильм "9 дней одного года" (1963), премия Ленинского Комсомола за создание образов молодого человека в фильмах "Дорогой мой человек", "9 дней одного года", "Летят журавли" и других, премия братьев Васильевых. Алексей Баталов награжден двумя орденами Ленина, Славянским орденом культуры "Кирилла и Мефодия".
А. Баталов известен и как активный общественный деятель. Многие годы он являлся секретарем правления Союза кинематографистов СССР, председателем комиссии ВЦСПС по премиям в области литературы, искусства и журналистики, работал в Комитете защиты мира, Фонде мира, Ассоциации "Родина". Он избран Почетным президентом Парижского Киноклуба "Жар-птица", председателем Оргкомитета ежегодной премии российских деловых кругов "Кумир" за лучшие актерские работы годы, почетным членом Международного фонда "Мир искусства, почетным членом Правления региональной благотворительной организации "Московская Ассоциация содействия и помощи инвалидам с детским церебральным параличом", членом Попечительского Совета Марфо-Мариинского благотворительного общества (при его участии была восстановлена Марфо-Мариинская обитель).
Алексей Владимирович пишет стихи, сценарии, детские сказки, увлекается живописью. В 1984 году в издательстве "Искусство" вышла книга Алексея Баталова "Судьба и ремесло". Он является также автором книги "Диалоги в антракте" и главы об Анне Ахматовой в книге "Легендарная Ордынка", написанной совместно с Михаилом и Борисом Ардовыми.