Алексей Алексеевич Ухтомский родился 25 июня 1875 г. в г. Рыбинске на Волге. Он окончил кадетский корпус и духовную академию, но глубокие философские искания побудили его обратиться к физиологии, волновавшей молодые умы его времени и созданной в России Иваном Михайловичем Сеченовым.

В самом начале нынешнего столетия А. А. Ухтомский поступает на физико-математический факультет Петербургского университета и в 1902 г. пробует свои силы на новом для него поприще в физиологической лаборатории физико-математического факультета, руководимой Н. Е. Введенским.

В 1912 г. А. А. Ухтомский получил звание приват-доцента и начал чтение курсов мышечной и нервной физиологии и физиологии органов чувств.

В декабре 1917 года, после участия в Поместном соборе, Ухтомский уехал в Рыбинск, где прожил в родном доме почти весь 1918 год. Время проводил за чтением религиозной литературы и работы на земельном участке перед домом. В конце 1918 — начале 1919 года дом был национализирован. Осенью 1920 года в рыбинском доме был произведён обыск, часть вещей изъята.

30 ноября был арестован «агентами рыбинского политбюро», по его признанию, из-за неосторожности при разговорах в научном обществе. Бумага от Петроовета спасла его от немедленного расстрела, Ухтомский был отправлен в Ярославский политический изолятор, затем в Москву в особое отделение ВЧК на Лубянке. Находясь в заключении, читал сокамерникам лекции по физиологии. В конце января 1921 года благодаря хлопотам друзей-учёных освобождён с сохранением за ним бывшего дома и возвращением вещей.

С 1920 года — заведующий лабораторией Естественнонаучного института. В 1922 году после смерти Н. Е. Введенского принял под своё начало кафедру физиологии человека и животных Петроградского университета. С 1935 года был директором основанного им Института физиологии ЛГУ, а с 1937 года — и руководителем электрофизиологической лаборатории АН СССР. Был заведующим биологическим отделением Ленинградского университета, в 1931—1938 годах —  президент Ленинградского общества естествоиспытателей. Кроме университета, преподавал физиологию в Институте Лесгафта, в психоневрологическом институте и на рабфаке Ленинградского университета. В 1932 году награждён премией имени В. И. Ленина. В 1933 году избран членом-корреспондентом, в 1935 году — действительным членом Академии наук СССР.

Алексей Алексеевич Ухтомский был не только замечательным учёным, но и замечательным гражданином и патриотом своей родины. Везде — на посту делегата Ленинградского совета, руководителя и консультанта физиологических лабораторий и т. д. — Алексей Алексеевич Ухтомский гармонически сочетал в себе практика-общественника и учёного-теоретика.

А. А. Ухтомский среди студенчества и ближайших своих учеников пользовался исключительной любовью. Это являлось отражением той глубокой любви, которую он сам питал к своим ученикам не только как педагог, но и как чуткий товарищ.

Ухтомский являлся иеромонахом в миру, делегатом Поместного Собора Русской православной церкви в 1917—1918, активно участвовал в совещаниях по воссоединению со старообрядцами, стал старостой Единоверческой церкви (ныне Музей Арктики и Антарктики) на улице Марата, обычно сам вёл богослужение. Когда по всей стране началось изъятие церковных ценностей, прихожане его церкви их спрятали, Ухтомский был арестован, но от него ничего не добились и вскоре отпустили, обязав прекратить религиозную пропаганду. Ухтомский владел семью языками, разбирался в богословии, философии, политэкономии, архитектуре, был живописцем и иконописцем, играл на скрипке.

В 1941 году Ухтомский остался в блокадном Ленинграде, участвовал в организации работы учёных на нужды обороны, руководил актуальными для военного времени исследованиями по травматическому шоку. Умер 31 августа 1942 года, не успев прочитать подготовленный за неделю до смерти доклад «Система рефлексов в восходящем ряду». Похоронен на Литераторских мостках.