Народный артист СССР Алексей Владимирович Баталов родился 20 ноября 1928 года в городе Владимире в семье актеров Московского художественного театра Владимира Баталова и Нины Ольшевской. Помимо родителей известными актерами были дядя – брат отца Николай Баталов и его жена Ольга Андровская.
Родители Алексея расстались, когда сыну было три года, а через два года мама вышла замуж за известного в те годы писателя Виктора Ардова. В квартире, где Баталов жил с матерью и отчимом в Москве на Большой Ордынке, подолгу гостила поэтесса Анна Ахматова, часто бывали поэты Осип Мандельштам, Борис Пастернак, писатели Михаил Зощенко, Илья Ильф и Евгений Петров.
Алексей Баталов впервые вышел на сцену в эвакуации в городе Бугульме, где его мать создала свой театр. В 1944 году дебютировал в кино, снявшись в эпизодической роли в фильме Лео Арнштама "Зоя".
В 1950 году окончил Школу-студию имени Вл.И. Немировича-Данченко при МХАТе, мастерская Сергея Блинникова и Виктора Станицына (ныне Школа-студия (институт) имени Вл.И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре им. А.П. Чехова).
В 1950 году Баталов поступил на службу в Московский художественный академический театр. В том же году он был командирован в труппу Театра Советской армии для прохождения военной службы.
В 1953 году Алексей Баталов вернулся во МХАТ.
С 1954 года он начал сниматься в кино, работая в основном на "Ленфильме". Первая роль – молодой рабочий Алексей Журбин в фильме "Большая семья" Иосифа Хейфица. С Алексеем Журбиным на советский экран пришел новый герой — рабочий-интеллигент. Позже Баталов снялся еще в четырех картинах у Хейфица: "Дело Румянцева" (1955), "Дорогой мой человек" (1958), "Дама с собачкой" (1960), "День счастья" (1964). Новой ступенью в творческой биографии артиста стала роль Бориса Бороздина в легендарной картине "Летят журавли" (1957, режиссер Михаил Калатозов). Фильм вошел в золотой фонд отечественного и мирового кинематографа и был удостоен Золотой пальмовой ветви Международного кинофестиваля в Канне.
Среди известных ролей Алексея Баталова – фильм Марка Донского "Мать" (1956) по одноименной повести Максима Горького; фильм Михаила Ромма "9 дней одного года" (1961); "Живой труп" (1969) Владимира Венгерова по одноименной пьесе Льва Толстого; "Бег" (1970) Александра Алова и Владимира Наумова по мотивам произведений Михаила Булгакова; "Чисто английское убийство" (1974) Самсона Самсонова; "Звезда пленительного счастья" (1975) Владимира Мотыля.
Особняком стоит мелодрама "Москва слезам не верит" (1980, режиссер Владимир Меньшов). Фильм получил Государственную премию 1981 года и высшее признание в мировом киноискусстве – премию "Оскар" как лучший фильм на иностранном языке.
В качестве режиссера-постановщика Алексей Баталов снял три картины. Им были экранизированы "Шинель" (1959) по Николаю Гоголю, "Три толстяка" (1966) по Юрию Олеше совместно с Иосифом Шапиро, "Игрок" (1972), советско-чехословацкий фильм по Федору Достоевскому.
Особое место занимала в творчестве Алексея Баталова работа на радио. Среди его радиопостановок: "Казаки" Льва Толстого, "Белые ночи" Федора Достоевского, "Поединок" Александра Куприна, "Герой нашего времени" Михаила Лермонтова, "Ромео и Джульетта" Уильяма Шекспира.
В 1980-2000-е годы Баталов снимался сравнительно мало. Его основным поприщем стала педагогическая деятельность. С 1975 года Баталов вел актерскую мастерскую во ВГИКе, с 1981 года – профессор ВГИКа, был художественным руководителем актерского факультета. Выпустил в качестве руководителя курса семь актерских мастерских.
Алексей Баталов был 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.
Он многие годы 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". В 2007-2013 годах Алексей Баталов был президентом Российской академии кинематографических искусств "Ника".
Алексей Баталов писал стихи, сценарии, детские сказки, увлекался живописью. В 1984 году в издательстве "Искусство" вышла его книга "Судьба и ремесло". Он являлся также автором книги "Диалоги в антракте" и главы об Анне Ахматовой в книге "Легендарная Ордынка", написанной совместно с Михаилом и Борисом Ардовыми.
Вклад Баталова в развитие отечественной культуры был высоко оценен высшими государственными и общественными наградами.
В 1966 году за художественный фильм "9 дней одного года" актер был награжден Государственной премией РСФСР.
Премия Ленинского комсомола за создание образов молодого человека в фильмах "Дорогой мой человек", "9 дней одного года", "Летят журавли" и других была присуждена актеру в 1967 году, премия братьев Васильевых – в 1968 году.
В 1976 году Алексей Баталов был удостоен почетного звания Народного артиста СССР, в 1981 году – Государственной премии СССР, в 2000 году – премии президента РФ в области литературы и искусства, 2006 году – Государственной премии РФ.
В 1989 году ему присвоено звание Герой Социалистического труда.
Алексей Баталов был награжден двумя орденами Ленина (1967, 1989), орденом "За заслуги перед Отечеством" III (1998) и II (2008) степеней, Славянским орденом культуры "Кирилла и Мефодия".
Лауреат премии "Юнона" (1997), премии "Кинотавр" в номинации "Премии за творческую карьеру" (1997), премии "Ника" в номинации "Честь и достоинство" (2002), международной премии Андрея Первозванного "За веру и верность" (2007).
В 2008 году он стал первым обладателем приза "Признание поколения", присужденном ему на кинофестивале ВГИКа. В 2009 году ему присуждена премия города Москвы в области литературы и искусства. В 2016 году Алексей Баталов получил премию в номинации "Книга и кино", которая впервые вручалась на торжественной церемонии конкурса "Книга года".
В 2008 году имя Алексея Баталова было присвоено Бугульминскому государственному русскому драматическому театру (Татарстан).
15 июня 2017 года Алексей Баталов скончался в Москве.
Алексей Баталов был женат вторым браком на цирковой артистке Гитане Леонтенко. В этом браке родилась дочь Мария. От первого брака у Баталова осталась дочь Надежда.