Алексей Литвиненко родился 29 июля 1987 года в городе Омск. Первые два класса начальной школы окончил в Керчи, куда переехал на время вместе с родителями. Затем, вернувшись в родной город, продолжил обучение в омском лицее №66. Всерьез занимался спортом - играл в хоккей и теннис, но главным увлечением мальчика стал театр.

Артистический талант Алексея проявился, когда он еще учился в младшей школе. Начиная с третьего класса, он постигал азы актерского мастерства и играл в Драматическом лицейском театре, образованном в 1994 году на базе омского лицея №66. Будучи 11-классником, юноша окончательно определился с выбором профессии и стал готовиться к поступлению в столичные театральные вузы, понимая, что в Москве он может достичь гораздо более высоких творческих и карьерных целей, чем в провинции.

Среди учебных заведений, в которые подал документы Алексей Литвиненко, были Школа-студия МХАТ, Российская академия театрального искусства, Театральный институт имени Бориса Щукина, Высшее театральное училище имени М.С.Щепкина. В итоге в 2004 году, получив аттестат о среднем образовании и уже успев некоторое время поработать в Омском драматическом театре, Алексей стал студентом «Щепки» и перебрался вслед за родителями в столицу.

Начиная со второго курса, актер стал появляться на экране. Первыми киноработами Алексея Литвиненко были небольшие роли в телевизионных сериалах «Автономка», «Энигма», «Адвокат» и «Солдаты».

  В 2008 году, окончив училище, Алексей поступил в труппу Театра Романа Виктюка, что, безусловно, было большой удачей для молодого актера. Дебютной работой Литвиненко на сцене театра стала роль в спектакле «R&J. Ромео и Джульетта», где он сыграл одного из студентов Британской морской школы, которые, по сюжету пьесы, читают знаменитую трагедию Уильяма Шекспира. Несмотря на дальнейшую занятость в кинопроектах, Алексей постоянный участник труппы театра Виктюка.

Важным в кинокарьере Литвиненко оказался 2009 год. Тогда он был утвержден на главную роль в сериале Валерии Гай Германики о жизни подростков «Школа». Роль в этом проекте, вызвавшем широчайший общественный резонанс, стала для Алексея первой главной и успешной работой, а также принесла ему известность.

После Алексей снялся в многосерийной криминальной драме Сергея Ашкенази «Дело гастронома № 1» с участием Сергея Маковецкого, Михаила Пореченкова, Юлии Пересильд, Марии Шукшиной, Евгении Симоновой,Сергея Векслера и др. Тогда же появился в эпизодической роли в драме Юрия Быкова «Жить», снялся в мелодраматическом мини-мериале Сергея Алешечкина с Зоей Буряк, Анастасией Паниной, Марией Белоненко, Кириллом Бурдихиным и другими «Кабы я была царица...», российская премьера которого прошла в феврале 2017 года.

Фильмографию артиста пополнили роли в проектах «Степные дети», «Городские шпионы», «Чужой среди своих», «Палач», «Молодая гвардия», прочие.

В апреле 2017 года Алексей появился в комедийном сериале канала ТНТ «Филфак», где также снялись Денис Парамонов, Алексей Золотовицкий, Александра Бортич, Михаил Тройник, Виолетта Давыдовская, Руслан Щедрин, Полина Пушкарук, Александра Велескевич, Елена Коренева, Ефим Шифрин и другие.