Sinh tại Sainte-Foy-lès-Lyon, Rhône, Carrel lớn lên trong một gia đình Công giáo sùng đạo, học tại trường St. Joseph của Dòng Tên ở Lyon, tuy nhiên khi lên đại học thì ông trở thành người theo thuyết bất tri và vô thần.[4]

Năm 1889 ông đậu bằng cử nhân văn chương ở Đại học Lyon; năm 1890 ông đậu bằng cử nhân khoa học và năm 1900 đậu bằng tiến sĩ y khoa cũng ở Đại học Lyon. Sau đó ông tiếp tục làm việc ở Bệnh viện Lyon và giảng dạy môn Giải phẫu học (Anatomy) cùng khoa Phẫu thuật (Operative Surgery) ở trường đại học Lyon, đảm nhiện chức trợ lý giải phẫu (Prosector) trong Phòng thí nghiệm của giáo sư J. L.Testut. Carrel đã bắt đầu chuyên sâu vào ngành phẫu thuật từ năm 1902.

Ông là người tiên phong trong khoa cấy ghép cơ quan (cấy ghép nội tạng) và Giải phẫu lồng ngực. Alexis Carrel cũng là hội viên của các hội trí thức ở Pháp, Hoa Kỳ, Tây Ban Nha, Nga, Thụy Điển, Hà Lan, Bỉ, Đức, Ý, Hy Lạp, thành Vatican, và cũng đã được trao các bằng tiến sĩ danh dự của các trường Đại học của Nữ hoàng tại Belfast (Queen's University Belfast), Đại học Princeton, Đại học Brown và Đại học Columbia.

Năm 1902 ông chứng kiến sự lành bệnh một cách lạ lùng của Marie Bailly tại Lộ Đức, trở nên nổi tiếng một phần vì chị đã nêu Carrel là nhân chứng cho việc lành bệnh của mình[4] (xem bên dưới). Sau lời đồn đại quanh sự kiện này, Carrel đã không thể tìm được việc làm trong một bệnh viện hoặc trường đại học, vì chủ trương chống giáo sĩ đang lan rộng trong các trường đại học của Pháp thời đó. Năm 1903 ông nhập cư vào Montréal, Canada, nhưng sau đó ít lâu lại chuyển sang cư ngụ ở Chicago, Illinois để làm việc trong "Phòng thí nghiệm Hull". Tại đây, ông cộng tác với bác sĩ người Mỹ Charles Claude Guthrie trong việc khâu và cấy ghép các mạch máu cùng cấy ghép các cơ quan. Năm 1912 Carrel đã được trao Giải Nobel Sinh lý và Y khoa cho những nỗ lực này.[5]

Năm 1906 ông vào làm việc trong Viện nghiên cứu Y học Rockefeller (Rockefeller Institute of Medical Research) mới thành lập ở New York cho tới khi kết thúc sự nghiệp của mình.[6] Trong thập niên 1930, Carrel và Charles Lindbergh trở thành bạn thân, không chỉ do những năm dài họ làm việc chung với nhau, mà còn do họ cùng có chung quan điểm về chính trị, xã hội. Ban đầu Lindbergh tìm gặp Carrel để nhờ xem bệnh tim của chị dâu mình, người cũng bị chứng sốt do thấp khớp (rheumatic fever), liệu có chữa được không. Khi Lindburgh nhìn thấy các máy móc của Carrel hơi thô thiển, ông đã đề nghị trang bị các thiết bị mới cho Carrel. Cuối cùng họ tạo được chiếc "bơm tiêm truyền máu" (‘’perfusion pump’’) đầu tiên, một phát minh công cụ để phát triển việc cấy ghép cơ quan và phẫu thuật tim mở. Lindbergh coi Carrel là bạn thân thiết nhất, và nói ông sẽ gìn giữ cùng phát huy các lý tưởng của Carrel sau khi ông chết.[6]

Do sự gần gũi thân thiết với "Đảng Nhân dân Pháp" (Parti Populaire Français) có xu hướng phát-xít của Jacques Doriot trong thập niên 1930 và vai trò của mình trong việc thực hiện chính sách ưu sinh dưới thời chính phủ Vichy, nên sau khi nước Pháp được giải phóng ông bị buộc tội là cộng tác với kẻ địch, nhưng ông đã chết trước khi xét xử.

Carrel dành cả đời để quảng bá thuyết duy linh, mặc dù lúc tuổi trẻ ông không đi theo đường lối đạo Công giáo. Năm 1939, ông đã gặp Alexis Presse - một tu sĩ dòng Trappist[7] - theo một đề nghị. Mặc dù Carrel đã hoài nghi về cuộc họp với một linh mục[4] nhưng rốt cuộc Presse đã có một ảnh hưởng sâu sắc đến quãng đời còn lại của Carrel.[6] Ông đã mời Presse đến làm các bí tích Công giáo bên giường bệnh của mình trước khi chết vào tháng 11 năm 1944.[4]