Баталов родился в театральной семье и впервые вышел на сцену во время эвакуации, где в Бугульме его мать организовала народный театр. В 1950 году окончил Школу-студию МХАТ. В кино впервые снялся в 1944 году, в эпизодической роли в фильме "Зоя". Фильмография актера Баталова включает 34 фильма. Зрителям наиболее запомнились его работы в картинах "Летят журавли", "Дорогой мой человек", "Девять дней одного года", "Три толстяка", "Звезда пленительного счастья" и, конечно же, "Москва слезам не верит".
Помимо кино, актер был увлечен озвучиванием мультфильмов. Голос Алексея Баталова можно услышать в советских мультфильмах "Ежик в тумане", "Лягушка-путешественница", "Ключи от времени".
Многие годы Баталов преподавал актерское мастерство во ВГИКе. С 2007 по 2013 год возглавлял Российскую академию кинематографических искусств "Ника".