Родился 20 ноября 1928 г. во Владимире в семье театральных актеров Владимира Петровича Баталова (1902-1964) и Нины Антоновны Ольшевской (1908-1991). Когда ему исполнилось пять лет, родители расстались. Мать вышла замуж за писателя Виктора Ардова (1900-1976). В их московской квартире часто гостила поэтесса Анна Ахматова, приезжавшая из Ленинграда (ныне - Санкт-Петербург). В воспоминаниях Баталов писал, в его "ребячьем сознании она сразу заняла особое, даже несколько таинственное, вроде инопланетянское место".
Во время Великой Отечественной войны Алексей Баталов вместе с матерью с 1942 г. находился в эвакуации в Бугульме (Татарская АССР, ныне - Республика Татарстан), где Нина Ольшевская работала главным режиссером в местном драматическом театре. На его сцене Алексей Баталов, будучи школьником, дебютировал в качестве актера.
В 1944 г. он впервые снялся в кино, сыграв редактора школьной стенгазеты в военно-патриотическом фильме Лео Арнштама "Зоя" (в титрах не указан).
В 1950 г. Алексей Баталов окончил Школу-студию МХАТ (ныне - Школа-студия, институт, им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном театре им. А. П. Чехова), где обучался в мастерской Сергея Блинникова и Виктора Станицына.
В 1950-1953 гг. являлся актером Центрального театра Советской армии (ныне - Центральный академический театр Российской армии, Москва), в 1953-1957 гг. - Московского художественного академического театра СССР им. М. Горького, в 1957-1975 гг. - актером и режиссером киностудии "Ленфильм" (Ленинград).
Алексей Баталов был широко известен в качестве киноактера. Первая крупная работа - молодой рабочий Алексей Журбин в драме Иосифа Хейфица "Большая семья" (1954). Среди его наиболее известных ролей: Борис Бороздин в драме Михаила Калатозова "Летят журавли" (1957), врач Владимир Устименко в фильме Иосифа Хейфица "Дорогой мой человек" (1958), физик-ядерщик Дмитрий Гусев в киноповести Михаила Ромма "Девять дней одного года" (1961), Георгий Иванович в мелодраме Владимира Меньшова "Москва слезам не верит" (1979) и др.
Также снимался в фильмах: "Дело Румянцева" (1955, режиссер Иосиф Хейфиц), "Мать" по роману Максима Горького (1955, Марк Донской), "Дама с собачкой" по рассказу Антона Чехова (1960, Иосиф Хейфиц), "День счастья" по повести Юрия Германа (1964, Иосиф Хейфиц), "Живой труп" по пьесе Льва Толстого (1968, Владимир Венгеров), "Внимание, черепаха!" (1970, Ролан Быков), "Бег" по мотивам произведений Михаила Булгакова (1970, Александр Алов и Владимир Наумов), "Чисто английское убийство" по роману Сирила Хэйра (1974, Самсон Самсонов), "Звезда пленительного счастья" (1975, Владимир Мотыль), "Скорость" (1983, Дмитрий Светозаров), "Зонтик для новобрачных" (1986, Родион Нахапетов) и др. В общей сложности он сыграл в более чем тридцати картинах.
В качестве режиссера Алексей Баталов поставил фильмы "Шинель" по повести Николая Гоголя (1959), "Три толстяка" по произведению Юрия Олеши (1966, совместно с Иосифом Шапиро) и "Игрок" по роману Федора Достоевского (1972, СССР - Чехословакия).
Был автором сценариев к мультфильмам "Зайчонок и муха" (1977, режиссер Валентин Караваев) и "Чужая шуба" (1985, Ольга Розовская). Принимал участие в озвучивании ряда анимационных и документальных фильмов.
С 1971 г. на протяжении ряда лет Алексей Баталов являлся секретарем правления Союза кинематографистов СССР.
С 1975 г. преподавал во Всесоюзном государственном институте кинематографии (ВГИК; ныне - Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова), с 1981 г. являлся профессором. С 1989 г. несколько лет заведовал кафедрой актерского мастерства. Как руководитель курса выпустил семь актерских мастерских. Занимал должность художественного руководителя актерского факультета ВГИК.
С 2007 по 2013 г. Алексей Баталов был президентом Российской академии кинематографических искусств "Ника". Также он являлся президентом кинофестиваля "Московская премьера".
Алексей Баталов скончался 15 июня 2017 г. в Москве на 89-м году жизни. Похоронен 19 июня 2017 г. на столичном Преображенском кладбище.
Народный артист СССР (1976).
Герой Социалистического Труда (1989).
Был награжден орденами Ленина (1967, 1989), "За заслуги перед Отечеством" II и III степеней (2008, 1998), "Кирилл и Мефодий" (Болгария). Дважды отмечен благодарностью президента РФ (1996, 2006).
Являлся лауреатом Государственной премии РСФСР им. братьев Васильевых (1966), премии Ленинского комсомола (1967), Государственной премии СССР (1981), премии президента РФ в области литературы и искусства за 1999 г., Государственной премии РФ в области литературы и искусства за 2005 г.
Был отмечен наградами Каннского фестиваля (1955, Франция; приз за лучший актерский состав фильма Иосифа Хейфица "Большая семья") и Московского международного кинофестиваля (2007, премия "За вклад в мировой кинематограф"), а также кинопремией "Ника" (2002, номинация "Честь и достоинство").
Автор книг "Диалоги в антракте" (1975, в соавторстве с Маргаритой Кваснецкой), "Судьба и ремесло" (1984), "Сундук артиста" (2016).
Был дважды женат. Первая супруга - Ирина Константиновна Ротова (1928-2007), вторая - артистка цирка Гитанна Аркадьевна Леонтенко (род. 1935). От первого брака имел дочь Надежду (род. 1955; переводчица), от второго - дочь Марию (род. 1968, литератор).