Родился 11 сентября 1894 г. в селе Сосница Черниговской губернии Российской империи (ныне поселок Сосница, Черниговская область, Украина) в крестьянский семье. Дата рождения приводится по записи в метрической книге, встречаются сведения, что он родился 11 или 12 сентября (30 или 31 августа по старому стилю) 1894 г.
В 1914 г. окончил Глуховский учительский институт (ныне Глуховский национальный педагогический университет им. Александра Довженко, Сумская область, Украина). После его окончания преподавал в Житомирском начальном училище. В 1917 г. поступил в Киевский коммерческий институт, но не окончил его. Позднее в качестве вольнослушателя стал посещать Украинскую академию искусства в Киеве.
Во время Гражданской войны в России в 1918 г. воевал в вооруженных силах петлюровской Украинской народной республики, с 1919 г. - на стороне Красной армии. В 1920 г. вступил в ряды Украинской коммунистической партии боротьбистов, которая вскоре после этого вошла в состав Коммунистической партии (большевиков) Украины. В 1921-1923 гг. работал в Наркомате по иностранным делам РСФСР, был направлен на дипломатическую работу в Польшу. Затем работал в Германии, где начал посещать частную художественную школу.
В 1923 г. был исключен из КП(б)У, так как почта задержала документы, которые он отправил из Германии в СССР для подтверждения своего членства.
В 1923-1926 гг. работал в Харькове художником-карикатуристом в украинской республиканской газете "Известия ВУЦИК". Тогда же заинтересовался кино, прошел стажировку на съемках агитфильмов на Одесской кинофабрике Всеукраинского фотокиноуправления (Украинская ССР, ныне Одесская киностудия, Украина). В 1926 г. дебютировал как режиссер и сценарист в полнометражной комедии "Вася-реформатор" и короткометражки "Ягодка любви". Первой знаковой работой Довженко стала немая кинопоэма "Звенигора" (1928, сценаристы - Михаил Йогансен и Юрий Тютюнник), посвященная 10-летию Советской власти. Она состоит из 12 эпизодов, в которых переосмысливается украинская история. Лента стала первой в трилогии об Украине. Затем режиссер уже по собственным сценариям снял фильмы "Арсенал" (1929, посвящен событиям гражданской войны) и "Земля" (1930, действие происходит в украинском селе во время создания колхозов). Через некоторое время "Звенигора" и "Земля" были сняты с показа в т. ч. из-за обвинений в украинском национализме и неправильной трактовке коллективизации. Впоследствии "Земля" была признана критиками одним из лучших фильмов советского кино.
Затем вышли ленты "Иван" (1932 г.), "Аэроград" (1935), "Щорс" (1939).
С 1934 г. жил в Москве, состоял в переписке с главой государства Иосифом Сталиным (Джугашвили), который часто вмешивался в работу режиссера.
В 1940 г. представил документальный фильм "Освобождение", рассказывающий о присоединении к СССР западноукраинских областей. В том же году был назначен художественным руководителем Киевской студии художественных фильмов (ныне Национальная киностудия художественных фильмов им. Александра Довженко).
В годы Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. Александр Довженко вместе с Киевской киностудией находился в эвакуации в Ашхабаде (Туркменская ССР, ныне Туркменистан). Выезжал на фронт в качестве военного корреспондента, снял документальные фильмы "Битва за нашу Советскую Украину", "Победа на правобережной Украине". При этом киноповесть Довженко "Украина в огне" была подвергнута критике на специальном заседании Политбюро "из-за ревизии политики партии", и так и не вышла на экраны.
В 1949 г. поставил фильм "Мичурин", также серьезно отредактированный цензурой. В 1951 г. по указанию властей были прекращены съемки художественного фильма "Прощай, Америка" по мотивам книги политической перебежчицы Анабеллы Бюкар, принявшей в 1949 г. советское гражданство.
В последние годы жизни преподавал во Всероссийском государственном институте кинематографии (ВГИК, ныне Всероссийский государственный университет кинематографии им. С. А. Герасимова), работал над сценариями к фильмам "Поэма о море", "Повесть пламенных лет" и "Зачарованная Десна", которые снять не успел.
Александр Довженко скончался 25 ноября 1956 г. на 63-м году жизни в подмосковном Переделкино (ныне Новомосковский административный округ Москвы). Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.
Народный артист РСФСР (1959), дважды лауреат Сталинской премии (1941 - за фильм "Щорс", 1949 - за "Мичурина"), посмертно в 1959 г. был удостоен Ленинской премии (за сценарий к "Поэме о море"). Был награжден орденами Ленина (1935), Красного Знамени (1943) и Трудового Красного знамени (1955).
Был женат на актрисе, кинорежиссере Юлии Солнцевой (Пересветовой, 1901-1989), которая после смерти мужа сняла ряд задуманных им фильмов.