Родился в 1962 году в Воронеже в семье врача. В 1980 году после окончания средней школы в Нальчике призван на срочную службу во внутренние войска МВД СССР, затем в 1985 году окончил высшее военное училище имени Кирова во Владикавказе. За последующие 15 лет прошёл путь от лейтенанта внутренних войск, командира взвода, до подполковника ФСБ.

В 1988 году окончил Высшие курсы военной контрразведки КГБ СССР. В 1988—1991 — сотрудник военной контрразведки КГБ СССР (третье управление), с 1991 сотрудник центрального аппарата МБ-ФСК-ФСБ. Специализация — борьба с терроризмом и организованной преступностью. За проведение совместных с Московским уголовным розыском операций по розыску и задержанию особо опасных преступников получил звание "Ветеран МУРа". Участник боевых действий во многих "горячих точках" бывшего СССР и России.

В 1994 году познакомился с Борисом Березовским после покушения на него. Литвиненко входил в оперативно-следственную группу по этому делу, работая в Оперативном управлении ФСБ.

В 1997 году переведен в 7-й отдел Управления по разработке и пресечению деятельности преступных организаций (УРПО) ФСБ на должность старшего оперативного сотрудника, замначальника 7-го отдела.

В начале 1998 года попал в разработку Управления собственной безопасности ФСБ за возможные злоупотребления.

17 ноября 1998 совместно с несколькими коллегами (Шебалин, Понькин, Щеглов, Латышонок) по Управлению провел в Москве пресс-конференцию, участники которой сообщили о том, что в ноябре 1997 получили от начальника УРПО генерал-майора Евгения Хохолькова и замначальника УРПО, капитана I ранга Александра Камышникова устный приказ убить Бориса Березовского, в то время заместителя секретаря Совета безопасности Российской Федерации. По их словам, Литвиненко и его коллеги отказались выполнять приказ, после чего их начальники стали угрожать им физической расправой за то, что не захотели убить "еврея, обворовавшего полстраны". Кроме того, им якобы приказали захватить в заложники с целью получения выкупа брата гендиректора СП "Интурист Радамер — гостиница и деловой центр" Умара Джабраилова и проломить голову подполковнику ФСБ Михаилу Трепашкину, выигравшему суд у тогдашнего директора ФСБ Николая Ковалева.

Руководство ФСБ выдвинуло контрверсию о том, что приказа не было, а была случайная неосторожная фраза по отношению к Березовскому, а также о том, что вышеуказанные офицеры причастны к разного рода преступлениям, как то: похищения людей, избиения, "крышевание" коммерсантов, превышение служебных полномочий. Вскоре после скандала директор ФСБ Ковалев был снят (что, как считается, соответствовало цели Бориса Березовского), а УРПО ФСБ расформировано.

После увольнения из ФСБ Литвиненко работал в должности советника отдела по вопросам безопасности Исполнительного секретариата СНГ (его тогда возглавлял Березовский).

По словам Литвиненко, две недели спустя после пресс-конференции на него около его дома было совершено покушение. В марте 1999 года он был арестован по обвинению в превышении полномочий и помещен в следственный изолятор ФСБ "Лефортово". В ноябре 1999 года оправдан, но прямо в зале суда, после зачитанного ему оправдательного приговора, арестован ФСБ и помещён в СИЗО Бутырской тюрьмы по второму уголовному делу.

В 2000 году второе уголовное дело было прекращено прокуратурой за отсутствием состава преступления, однако в тот же день против Литвиненко было начато третье уголовное дело, а он сам освобождён под подписку о невыезде. Опасаясь за свою жизнь, он перебрался в Англию. Против него было заведено четвертое уголовное дело. В мае-июне 2002 года его заочно судили в России, обвинив в злоупотреблении служебным положением в 1996 году, хищении взрывчатых веществ в 1997 году, а также в незаконном приобретении и хранении огнестрельного оружия и боеприпасов и приговорили к 3,5 годам лишения свободы условно с испытательным сроком в течение одного года.

В мае 2001 года правительство Соединенного Королевства предоставило Александру Литвиненко политическое убежище, как подвергающемуся преследованиям на родине.

В июле 2002 года ФСБ обратилась к британским спецслужбам с просьбой допросить Литвиненко по поводу его связей с главным подозреваемым по делу о взрывах в России в 1999 году Ачимезом Гочияевым; Литвиненко заявил, что готов дать показания в соответствии с законом, но полиции, а не спецслужбе MI5, что он как бывший офицер спецслужб считает некорректным.

В Англии Литвиненко получал из фонда, курируемого Березовским, по 4500 фунтов стерлингов в месяц на жизнь, затем сумма была уменьшена до 1500 фунтов. Литвиненко также подрабатывал консультантом и посредником, сводя британские фирмы с заинтересованными людьми из России.

7 февраля 2006 на одном из сайтов чеченских сепаратистов была опубликована статья Литвиненко, в которой утверждается, что вызвавшая международный скандал публикация в датской газете "Jyllands-Posten" карикатур на пророка Мухаммеда была тоже организована ФСБ.[7]

Литвиненко неоднократно утверждал, что на него готовится покушение:

12 октября 2006 Литвиненко получил британское подданство и новое имя Эдвин Картер (англ. Edwin Carter).

Скончался 23 ноября 2006 года в лондонском госпитале после трех недель тяжелой и мучительной болезни, вызванной отравлением полонием-210.