Главными направлениями научной деятельности являются молекулярная биофизика и нанотехнологии. За время, прошедшее с 1986 года имеет около 900 цитирований на свои работы. Индекс Хирша — 16.
В 1973 году окончил кафедру биофизики физического факультета МГУ. В 1977 году защитил кандидатскую диссертацию. С 1992 года работал заведующим лабораторией Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (ИМБ РАН). С 1995 года доктор биологических наук. С 2002 года — профессор. В 2003 году становится директором ИМБ РАН.
В 2003 году избран членом-корреспондентом РАН, в 2008 — действительным членом по отделению биологических наук.
Работал в области молекулярной биологии белков, изучал вопросы их стабильности и взаимосвязи их структуры с функциями. Открыл новый (помимо ?-спирали и ?-слоя) тип структуры пептидной цепи — левую спираль типа полипролин II (англ.). Доказал, что ключевую роль в стабилизации этой структуры играют молекулы воды.
Занимался исследованием белка теплового шока hsp90 (англ.). Показал, что в нём содержится второй ATP-связывающий центр, что имело важное значение для оценки роли этого белка как шаперона. Работал над определением роли отдельных аминокислот в формировании структуры и работе РНКаз. Разработал гибриды, в которых удалось сочетать свойства биназы и барназы. В цитохроме c3 (англ.) определил аминокислоты, ответственные за его стабильность и принимающие участие в электронном транспорте. А. А. Макаровым также сконструирован вариант человеческого гормона роста без лактогенной активности, но с повышенной стабильностью и растворимостью в клетках. Им выявлено, что аминокислоты, отвечающие за связывание лиганда, не всегда являются оптимальными с точки зрения стабильности глобулы.
Занимался изучением Ca2+-связывающих белков и задачей передачей ими сигналов. Показал, что структурно-функциональные свойства калмодулина асимметричны. Обнаружил, что калмодулин взаимодействует с киназой лёгких цепей миозина даже в отсутствие ионов Ca2+. Разработал новый схему активации фермента-мишени Ca2+-связывающими белками.
Установил молекулярные детерминанты цитотоксичности РНКаз и создал вариант микробной РНКазы, избирательно токсичный для раковых клеток.