Алексей Улюкаев родился 23 марта 1956 года в городе Москва. В 1979 году Улюкаев окончил экономический факультет Московского государственного университета там же учился в аспирантуре, в 1983 году стал кандидатом экономических наук.

Еще до окончания МГУ Улюкаев в 1973-1974 годах был лаборантом кафедры физики Московского института инженеров землеустройства. С 1982 по 1988 год Улюкаев работал ассистентом, затем доцентом Московского инженерно-строительного института (МИСИ). Позже Улюкаев получил степень доктора экономики (PhD) французского университета Pierre-Mendes France.

В средине 80-ых годов Алексей Валентинович был участником экономических семинаров «Змеиная горка», организованных Чубайсом и Гайдаром. На семинарах обсуждались пути решения проблем экономического характера инновационными методами, выходящими за рамки советской школы.

С 1987 по 1988 год Улюкаев являлся членом экономических клубов «Перестройка» и «Демократическая перестройка». Руководитель клубов Егор Гайдар уже тогда выделял Улюкаева как одного из самых «продвинутых» теоретиков экономики в своей команде. В период с 1988 по 1991 год Алексей Валентинович, по рекомендации Гайдара, трудился на должности экономического консультанта, а впоследствии занял кресло заместителя редактора отдела, отвечающего за освещение проблем политической экономики и экономической политики, в популярном в то время журнале «Коммунист».

В июле 1991 года Улюкаев стал заместителем директора Международного центра исследований экономических реформ (МЦИЭР) работал в газете "Московские новости" политическим обозревателем.

После распада Советского Союза Егор Гайдар привлек Улюкаева в свою правительственную команду. С ноября 1991 по 1992 год Улюкаев был экономическим советником правительства и помощником Гайдара, а с 1992 по 1993 - руководителем группы экономических советников. В 1993 году Улюкаев был помощником Гайдара, первого заместителя председателя правительства РФ. Гайдар после ухода из правительства стал директором Института экономических проблем переходного периода (ИЭПП) и назначил Улюкаева своим заместителем.

В 1996-1998 годах был депутатом Московской городской думы. После истечения срока вернулся в ИЭПП. Позднее он вошел в Комиссию правительства РФ по экономической реформе и возглавлял разработку реформы межбюджетных отношений в Центре стратегических разработок.

В мае 2000 года его вновь пригласили в правительство. Он был назначен первым заместителем министра финансов России и занимал этот пост с 2000 по 2004 года. В апреле 2004 года был назначен первым заместителем председателя Центрального банка России. 

С 24 июня 2013 года занимает пост Министра экономического развития Российской Федерации.

Следственый комитет 15 ноября 2016 года, в отношении Алексея Улюкаева возбдил уголовное дело в связи с получением взятки 2 миллиона долларов, за выданную Минэкономразвития положительную оценку, позволившую "Роснефти" купить госпакет акций "Башнефти". Дело возбуждено по части 6 статьи 290 УК РФ (получение взятки в особо крупном размере).  

По завершению судебных разбирательств, Президент России Владимир Путин, своим указом освободил Улюкаева от занимаемой должности главы Минэкономразвития РФ в связи с утратой доверия. На место временно исполняющего обязанности министра экономического развития был назначен заместитель главы Минэкономразвития Евгений Елин. Распоряжение об этом 15 ноября 2016 года подписал премьер-министр Дмитрий Медведев. 

Улюкаев Алексей Валентинович приговорен 15 декабря 2017 года, судом к восьми годам лишения свободы в колонии строгого режима и штрафу в 130 млн рублей, за вымогательстве взятки в размере 2 миллионов долларов США у исполнительного директора компании «Роснефть» Игоря Сечина..

Приговор обжалован 19 декабря 2017 года, не вступивший в законную силу. Рассмотрение апелляции в Мосгорсуде назначено на 12 апреля 2018 года.

    Женат, имеет двух сыновей и дочь.