Родился в семье военного врача. Окончил 3-ю Московскую гимназию и Алексеевское военное училище (1892). В 1898 году окончил Академию Генерального штаба.
Во время Первой мировой войны служил в оперативном отделе Генерального штаба и Ставки. Позднее был назначен начальником штаба 10-й армии. Был произведён в генерал-майоры.
После Октябрьского переворота перешёл на сторону большевиков. Участвовал в переговорах при заключении ими с Германией мирного договора в Брест-Литовске.
С февраля 1918 г. — заместитель командующего Западной завесой, начальник штаба Беломорского военного округа.
Командующий 6-й отдельной красной армией (ноябрь 1918 — апрель 1920 гг.). В мае 1919 г. командовал Восточным фронтом большевиков.
В 1920—1921 гг. — помощник начальника Штаба РККА и одновременно начальник Всеросглавштаба и член Высшего военного совещания.
Участвовал в мирных переговорах с Финляндией в апреле 1920 г. и с Турцией в марте 1921 г.
С 1922 г. служит начальником управления военно-учебных заведений. С 1926 г. на педагогической работе в Военно-воздушной академии.
С 1948 г. в отставке.
" Ссылаясь на свою четвертьвековую привычку к точному исполнению приказов, я настоял на своем: снял погоны, не надел свои 22 ордена - российских и иностранных, собственноручно спорол генеральские лампасы." А. Самойло "Две жизни" стр.190; Военное издательство Министерства Обороны Союза ССР, Москва - 1958
Александр Самойло является одним из прототипов главного героя романа Валентина Пикуля "Честь имею".