Алексей Николаевич Северцов сын Николая Алексеевича Северцова.
Алексею не исполнилось и года, когда вся семья переехала в село Петровское Воронежской губернии, в имение деда — Алексея Петровича Северцова. Алеша очень рано научился читать не только по-русски, но и по-немецки и по-французски. К 8-10 годам он уже свободно читал на всех трех языках. Отец уделял сыну много внимания. Рано научил мальчика охотиться, стал его первым учителем рисования. По настоянию отца Алексея рано обучили плаванию и верховой езде. В 1876 году Алексея привезли в Москву и отдали в 1-й класс частной гимназии Л. И. Поливанова.
Осенью 1885 года, после окончания гимназии, Алексей Николаевич поступил на физико-математический факультет Московского университета. Очень рано, уже на втором курсе, начал увлекаться биологическими науками, особенно зоологией. Слушал лекции прекрасных педагогов: ботанику — сначала у И. Н. Горожанкина, а затем у К. А. Тимирязева; анатомию — у Д. Н. Зернова; геологию — у А. П. Павлова; антропологию — у Д. Н. Анучина, физику — у А. Г. Столетова; химию — у А. П. Сабанеева и В. В. Марковникова, зоологию беспозвоночных — у А. П. Богданова, зоологию позвоночных — у С. А. Усова и М. А. Мензбира.
В 1889 году Алексей Николаевич окончил Университет и успешно сдал государственные экзамены. После сдачи магистерских экзаменов в 1893 году начинает читать специальный курс сравнительной анатомии для группы студентов Московского университета.
В эти годы он отправляется со своим товарищем Хомяковым на Волгу — собирать материал по стерляди. Денег на поездку не было, и Алексей Николаевич закладывает свою золотую университетскую медаль. В Самаре, где лабораторией им служил номер в гостинице, молодые ученые устроили аквариумы с проточной водой из деревянных кадушек для засолки огурцов и резиновых клистирных трубок, купленных в соседней аптеке. На рынке приобрели деревянные чашки и тарелки, в которых искусственно оплодотворяли купленную у рыбаков икру. Мальков из икры выводили в кадушках с проточной водой.
После получения в 1895 году магистерской степени Северцов на два года уезжает в заграничную командировку — познакомиться с жизнью европейских лабораторий, «окунуться в атмосферу новых научных школ, чтобы самому разделить животрепещущий интерес столкновения новых гипотез». Первым местом пребывания Алексея Николаевича за границей стала небольшая французская биологическая станция Баньюлас на границе Франции и Испании. Там он подружился с англичанином Минчином. После Баньюласа Северцов переехал в Вилла-Франкскую, около Ниццы (Италия), на находившуюся там русскую зоологическую станцию, а затем в Мюнхен, где под руководством А. А. Бёме осваивал специальную гистологическую технику.
Весну 1897 года Северцов проводит на зоологической станции в Неаполе, где собирает прекрасный материал по акулам, электрическим скатам и миногам, а после окончания рабочего сезона переезжает в Киль, в лабораторию знаменитого цитолога Флемминга, под руководством которого изучает цитологию. Одновременно он продолжает работу по исследованию строения головы электрического ската, начатую в Неаполе. Эту работу он отсылает для печати в «Ученые записки Московского университета», а когда в 1898 году возвращается в Москву, то успешно защищает её как докторскую диссертацию.
После возвращения в Россию Алексей Николаевич думал сразу приступить к обработке собранного им за границей материала, но, как это часто бывает, бытовые проблемы заставили его принять предложение Мензбира выставить свою кандидатуру на университетских выборах в городе Юрьеве (ныне Тарту), где создавалась кафедра зоологии. Выборы прошли успешно, и в конце 1899 года Северцов переехал на новое место в качестве сверхштатного профессора зоологии. В Юрьеве Северцов проработал четыре года, а затем, в 1902 году, получил предложение перейти на кафедру зоологии и сравнительной анатомии Киевского университета на место вышедшего в отставку профессора Бобрецкого. Как и в Юрьеве, в Киеве Северцов прежде всего начал организовывать свою лабораторию.
В Киеве в работах Северцова начинают складываться зачатки теории «филэмбриогенеза», которые находят свое отражение в докладе, сделанном Алексеем Николаевичем на одном из заседаний Киевского общества естествоиспытателей (январь 1907), а затем в речи «Эволюция и эмбриология», произнесенной на общем собрании XII съезда естествоиспытателей и врачей в Москве (январь 1910).
Основные труды посвящены установлению закономерностей эволюции, проблемам онтогенеза.
Применив сравнительно-эмбриологический метод исследования, Северцов А. Н. собрал ценный фактический материал по историческому развитию позвоночных животных и обосновал гипотезу происхождения низших позвоночных.
Дал ряд теоретических обобщений: наиболее известна его теория филэмбриогенезов, согласно которой изменения органов, происходящие в эмбриональном развитии, являются причиной изменения этих органов у взрослых животных в процессе их эволюции.
Разработал теорию о четырёх типах эволюционного процесса: ароморфоз, идиоадаптация, ценогенез, общая дегенерация.
Считал, что единственной причиной филогенетических изменений является изменение среды.
Предложил понятие мультифункциональности органов.