Né dans la banlieue parisienne et constamment renvoyé des établissements scolaires qu'il fréquente, Alain Delon s'engage à 17 ans dans la marine. Il ne tarde pas à partir pour l'Indochine, où il participe à de durs combats. De retour en France, il exerce divers petits métiers, notamment celui du fort des Halles. Pendant quelques mois, il hante Saint-Germain-des-Prés où il se fait des amis, parmi lesquels se trouve Jean-Claude Brialy.

C'est par hasard, et parce qu'il est servi par un physique exceptionnel qu'il aborde le milieu du cinema, sans formation dramatique particulière. Découvert par un "talent-scout" lors du festival de Cannes en 1957, il se rend à Rome pour passer un essai, si convaincant qu'il se voit proposer un contrat de sept ans aux Etats-Unis. Il refuse cependant la proposition lorsqu'Yves Allégret lui offre son premier rôle à 22 ans, dans Quand la femme s'en mêle. L'année suivante, il rencontre lors du tournage de Christine la jeune star de Sissi, Romy Schneider. C'est le début d'une liaison de cinq ans sous les feux de la presse people mondiale.

Alain Delon accède au rang de star du cinéma en 1960 avec Plein soleil, une adaptation du roman Monsieur Ripley de Patricia Highsmith, sous la direction de René Clément. Il enchaîne l'année suivante avec Rocco et ses frères de Luchino Visconti, qui remporte le Prix Spécial du Jury au Festival de Venise. Le cinéaste italien le retrouve en 1963 pour la fresque flamboyante Le Guépard, où l'acteur donne la réplique à Burt Lancaster et Claudia Cardinale. Alain Delon ne cessera dès lors de tourner avec des réalisateurs de renom tels Henri Verneuil dans Melodie en sous-sol en 1963, René Clément, qui dirigera le comédien à quatre reprises, ou encore Jean-Pierre Melville, qui le filme dans Le Samourai en 1968.

Côté vie privée, cette décennie lui fait croiser la route de la chanteuse Nico, qui met au monde en 1962 un garçon, Christian Aaron Boulogne dit Ari Boulogne (décédé en mai 2023), dont Alain Delon nie être le père, malgré une ressemblance physique frappante. La star est ensuite mariée de 1964 à 1969 à Francine Canovas, connue sous le nom de Nathalie Delon. De leur union naît l'acteur Anthony Delon.

Alain Delon aborde les années 70 en tant qu'acteur et producteur. Après s'être essayé une première fois à la production en 1964 avec L'Insoumis, il s'engage dès 1968 de manière intensive dans cette activité, produisant 26 films, de Jeff Borsalino à Deux hommes dans la ville en passant par Dancing machine. Durant la décennie, il développe et pousse à l'extrême deux aspects essentiels du personnage de Delon : le fétichisme du vêtement (chapeau et imperméable) et son grand professionnalisme. On retrouve cet aspect dans Le Cercle Rouge de Jean-Pierre Melville, en 1970, où il côtoie Bourvil, ou encore Un flic et Borsalino & Co..

En 1981, il s'essaie pour la première fois à la réalisation dans Pour la peau d'un flic, révélant la jeune Anne Parillaud, mais retourne bien vite à ses premières amours jusqu'à être récompensé du César du meilleur acteur en 1985 pour sa prestation dans Notre histoire, oeuvre intimiste de Bertrand Blier. La même année, il revient au cinéma d'action dans Parole de flic, où il donne la réplique à Jacques Perrin.

On le retrouve dans les années 90 dans des oeuvres plus insolites, comme Dancing machine, où il interprète un professeur de danse, Le Retour de Casanova qui le voit en séducteur vénitien vieillissant, où encore Le Jour et la nuit, première oeuvre du philosophe Bernard-Henri Lévy. En 1998, après plus de trente ans, il retrouve son partenaire de Borsalino, Jean-Paul Belmondo, pour tourner Une chance sur deux, une comédie bourrée de clins d'oeil à leurs carrières respectives, où les deux légendes du cinéma français côtoient Vanessa Paradis.

En 1999, celui qui aime parler de lui à la troisième personne annonce son retrait du milieu du cinéma. Une décision qu'il remet vite en cause, pour le plus grand bonheur de ses fans. En effet, il apparaît l'année suivante dans Les Acteurs de Bertrand Blier. Après une incursion à la télévision dans les séries policières Fabio Montale et Frank Riva, il fait son grand retour au cinéma en 2008 en Jules César dans Astérix aux Jeux Olympiques.

À l'exception du téléfilm Un mari de trop (2010) avec Lorie Pester et de Toute ressemblance... (2018) de Michel Denisot, où il joue son propre rôle, Alain Delon délaisse les écrans et se consacre davantage au théâtre à partir des années 2010. 

Alors qu'il annonce en 2018 tourner son dernier film (La Maison vide) sous la direction de Patrice Leconte, le projet ne voit jamais le jour, en raison de problèmes de santé. En 2019, le Festival de Cannes lui rend hommage avec une Palme d'honneur pour l'ensemble de sa carrière. Son fils Anthony Delon révèle quelques mois plus tard que son père a été victime d'un accident vasculaire cérébral et d’une hémorragie cérébrale. 

Après avoir été en couple pendant quinze ans avec Mireille Darc (de 1968 à 1983) puis avec le mannequin néerlandais Rosalie van Breemen (de 1987 à 2001) — avec qui il a deux enfants : Anouchka et Alain-Fabien —, il révèle en 2021 aux médias avoir une nouvelle compagne : une Japonaise prénommée Hiromi.

Les proches du comédien soupçonnent cette dernière d'exercer son emprise sur lui depuis son AVC en 2019. Le 5 juillet 2023, Anouchka, Anthony et Alain-Fabien Delon portent plainte contre la sexagénaire et l'accusent de « harcèlement moral » à l'encontre de leur père. Alain Delon lui-même se joint à cette action en justice contre celle que l'avocat présente comme la « dame de compagnie » de l'acteur. Anthony Delon dépose une seconde plainte pour « violences volontaires sur personne vulnérable », « harcèlement moral », « abus de faiblesse », « séquestration sur personne vulnérable » et « violences sur un animal », en référence au chien d'Alain Delon.