Родился 23 марта 1956 г. в г. Москве. Его отец - Вали Хусаинович Улюкаев (род. 1931), кандидат экономических наук, профессор, с 1986 по 2012 г. был аведующим кафедрой земельного права юридического факультета Государственного университета по землеустройству.
В 1979 г. Алексей Улюкаев окончил экономический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ), в 1982 г. - аспирантуру того же факультета.
В 1982 г. на экономическом факультете МГУ защитил кандидатскую диссертацию на тему "Объективные основы и пути развития научно-производственной интеграции в сельском хозяйстве".
Доктор экономических наук (1998). Также получил степень доктора экономики (PhD) в Университете Pierre-Mendes France (Гренобль, Франция).
В 1982-1988 гг. - ассистент, доцент кафедры политэкономии Московского инженерно-строительного института им. В.В. Куйбышева (ныне Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет).
В середине 1980-х гг. познакомился с Анатолием Чубайсом и Егором Гайдаром, был участником руководимых ими экономических семинаров. В 1987-1988 гг. принимал участие в работе клубов "Перестройка" и "Демократическая перестройка".
С 1988 г. по 1991 г. работал консультантом, заведующим отделом редакции журнала "Коммунист" (был приглашен в издание Егором Гайдаром).
В 1991 г. был политическим обозревателем газеты "Московские новости".
С 19 декабря 1991 г. занимал должность экономического советника правительства РФ. С 30 июня 1992 г. руководил группой советников председателя правительства РФ (в июне-декабре 1992 г. и.о. премьер-министра был Егор Гайдар). В 1993-1994 гг. - помощник первого заместителя председателя правительства РФ Егора Гайдара.
С 1994 г. по 1996 г. - заместитель директора Института экономических проблем переходного периода (ИЭПП) Егора Гайдара.
С июня 1994 г. - член партии "Демократический выбор России" (ДВР). В 1995–1997 гг. был председателем Московского городского отделения ДВР.
В декабре 1995 г. баллотировался в Государственную думу РФ второго созыва по списку блока "Демократический выбор России – Объединенные демократы". В Госдуму не прошел, так как блок не преодолел 5-процентный избирательный барьер, получив 3,86%.
В 1996-1998 гг. - депутат Московской городской думы (избран в ходе дополнительных выборов), занимался вопросами инвестиционной политики в столице.
В 1998 г. вернулся в ИЭПП (с 1999 г. - Институт экономики переходного периода) на должность заместителя директора института Егора Гайдара, которую занимал до 2000 г.
В сентябре 1999 г. вошел в общефедеральный список избирательного блока "Союз правых сил" (СПС) (№2 в региональной части списка по Москве) для участия в выборах в Государственную думу РФ третьего созыва. Кроме того, был выдвинут от СПС кандидатом в депутаты по Чертановскому одномандатному избирательному округу №204 (Москва). 19 декабря 1999 г. по результатам голосования в парламент не прошел. В округе занял второе место (14,14%), проиграв председателю Контрольно-счетной палаты Москвы Сергею Шохину ("Отечество – Вся Россия"), который набрал 36,53%. По общефедеральному округу СПС не набрал достаточного числа голосов, чтобы провести в Госдуму кандидатов, занимавших вторые места в региональных группах.
С 30 мая 2000 г. по 8 апреля 2004 г. - первый заместитель министра финансов РФ Алексея Кудрина, курировал вопросы финансирования силовых структур и кредитно-денежной политики.
В 2004 г. был председателем совета директоров Агентства по страхованию вкладов.
С 19 мая 2004 г. по 2 июля 2013 г. - первый заместитель председателя Центрального банка РФ Сергея Игнатьева (повторно назначался 25 апреля 2008 г.).
В 2000-х гг. возглавлял кафедру общей экономики Московского физико-технического института, в 2007-2010 гг. - исполнял обязанности заведующего кафедрой "Финансы и кредит" экономического факультета МГУ.
В 2008-2011 гг. являлся председателем совета директоров Московской межбанковской валютной биржи.
24 июня 2013 г. был назначен министром экономического развития РФ в правительстве Дмитрия Медведева. Сменил на этом посту Андрея Белоусова.
Входил (в 2013-2016 гг.) в состав советов при президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию России, по жилищной политике и повышению доступности жилья, по реализации приоритетных национальных проектов и демографической политике; в состав президиумов советов при президенте РФ по противодействию коррупции, Экономического совета. В 2016 г. входил в состав Совета при президенте РФ по стратегическому развитию и приоритетным проектам.
Был управляющим от РФ в Европейском банке реконструкции и развития и заместителем управляющего от РФ в Международном банке реконструкции и развития и Многостороннем агентстве по гарантиям инвестиций (с 4 октября 2013 г. по 22 ноября 2016 г.).
Являлся членом Военно-промышленной комиссии РФ (с сентября 2014 г. по ноябрь 2016 г.).
Был председателем наблюдательного совета публичного акционерного общества "Банк ВТБ" (2015-2016).
14 ноября 2016 г. Алексей Улюкаев был задержан органами Следственного комитета РФ по подозрению в вымогательстве взятки от представителя нефтяной компании "Роснефть" в размере 2 млн долларов США. Он стал первым министром РФ, взятым под стражу при исполнении полномочий. По версии следствия, деньги были переданы в связи с выданной министерством положительной оценкой, которая позволила нефтяной компании купить государственный пакет акций "Башнефти". Сама сделка, по данным следствия, совершена на законных основаниях и предметом расследования не является. Уголовное дело в отношении Улюкаева было возбуждено Главным управлением по расследованию особо важных дел Следственного комитета РФ по результатам проведенного ФСБ России комплекса оперативных мероприятий.
15 ноября 2016 г. президент РФ Владимир Путин своим указом отправил Алексея Улюкаева в отставку в связи с утратой доверия главы государства.
15 декабря 2017 г. Замоскворецкий суд Москвы признал Алексея Улюкаева виновным в совершении преступления, предусмотренного ч. 6 ст. 290 Уголовного кодекса РФ ("Получение взятки должностным лицом в особо крупном размере"). Ему было назначено наказание в виде 8 лет лишения свободы в колонии строгого режима и штрафа в 130 млн руб., а также запрещено занимать должности на госслужбе. 12 апреля 2018 г. Мосгорсуд, рассмотрев апелляцию защиты, снял с бывшего министра ограничение на занятие государственных должностей в течение 8 лет после выхода из колонии. В остальной части приговор остался без изменений.
Улюкаев отбывал наказание в исправительной колонии №1 в Тверской области, работал в библиотеке, вел литературный кружок, а также продолжал писать стихи.
27 апреля 2022 г. Московский районный суд Твери принял постановление о его условно-досрочном освобождении (УДО). Решение суда об УДО вступило в силу 12 мая.
После освобождения работает главным экспертом в Фонде "Институт экономической политики им. Е. Т. Гайдара".
Действительный государственный советник РФ I класса (2001).
Награжден орденами Почета (2006), "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2010), медалью П. А. Столыпина I степени (2016). Отмечен благодарностью (дважды; 1997, 2002) и Почетной грамотой (2011) президента РФ. Имеет также благодарность (2006) и Почетную грамоту (дважды; 2001, 2011) правительства РФ.
Заслуженный экономист РФ (2004).
Автор научных работ и статей по экономической и политической проблематике. Среди них "Россия на пути реформ: реформирование экономики в период становления институтов национальной государственности в России (1991-1995)" (1996), "Современная денежно-кредитная политика: проблемы и перспективы" (2008) и др.
Владеет английским и французским языками.
Женат вторым браком. Первая жена - Тамара Ивановна Усик (род. 1951), экономист. По данным СМИ, вторая супруга - Юлия Сергеевна Хряпина (род. 1983), работала научным сотрудником в Институте экономической политики им. Е. Т. Гайдара.
Два сына и дочь. Сын Дмитрий (род. 1983), кинооператор и продюсер.
Увлекается пешим туризмом, греблей и плаванием. Пишет стихи (автор сборников "Огонь и отсвет", "Чужое побережье", "Авитоминоз").