Член партии с июля 1918 года, кандидат в члены ЦК (1934—1938). Депутат ВС СССР 1 созыва.
Окончил Самарскую классическую гимназию в 1901 году. В том же году поступил на военную службу вольноопределяющимся, был зачислен в 4-й гренадерский Несвижский полк. Окончил по первому разряду (с отличием) Казанское пехотное юнкерское училище, где учился в 1902—1905 годах, 22 апреля 1905 года был выпущен подпоручиком (со старшинством с 9 апреля 1904 года) и распределился в 13-й лейб-гренадерский Эриванский полк. В ходе Первой русской революции в составе войск участвовал в карательных акциях на Кавказе.
В своей автобиографии указывал, что с 1904 года примкнул к эсерам.
Кадровый военный Русской императорской армии, участник Первой мировой войны, командовал ротой и батальоном 132-го пехотного Бендерского полка, был помощником начальника школы прапорщиков, дослужился до подполковника — командовал полком в этом звании, а потом в звании полковника. Был 5 раз ранен и контужен.
После Февральской революции в чине подполковника вступил в партию эсеров.
1 мая 1917 года был арестован за антивоенные выступления.
В РККА с декабря 1917 года отвечал за отбор офицеров для Красной армии, занимался вопросами пленных и беженцев, с августа 1918 года командовал армиями и фронтами в Гражданской войне (в частности, участвовал в боевых действиях под Самарой и Царицыном), а затем в советско-польской войне.
С 26 дек. 1918 по 25 мая 1919 командующий 10-й армией. В 1919 году был тяжело ранен в бою у Плетнёва (у реки Сал).
В 1920—1921 командующий войсками Киевского, Петроградского ВО. В 1921—1922 командующий Западным фронтом. В 1922—1924 командующий Кавказской Краснознаменной армией. В 1924—1925 годах командующий вооружёнными силами Украинской ССР и Крыма, до 1926 года был военным атташе в Китае, в 1927—1931 годах командовал Белорусским военным округом.
В 1931—1937 начальник Генштаба (Штаб до 1935 года) РККА. "Целый ряд важнейших вопросов организации РККА и оперативно-стратегического использования наших вооруженных сил, по моему убеждению, решен ошибочно, а возможно, и вредительски. Это в первый период войны может повлечь за собой крупные неудачи и многочисленные лишние жертвы" (Из заявления комбрига Я. М. Жигура к Сталину).
"Первый заместитель народного комиссара обороны СССР т. Егоров А. И. в период его работы на посту начальника штаба РККА работал крайне неудовлетворительно, работу Генерального Штаба развалил, передоверив её матёрым шпионам польской, немецкой и итальянской разведок Левичеву и Меженинову" (Из постановления ПБ ЦК ВКП(б) "о т. Егорове" 25.01.1938).
В конце 1937 года смещён "в качестве последнего испытания" на должность командующего Закавказским военным округом, сдал округ 21 февраля 1938 г. 8 февраля 1938 г. была арестована его жена Галина Цешковская. Егоров был арестован 27 марта 1938 года, хотя ордер на его арест датирован месяцем позже.
«26 июля нарком НКВД Ежов представил на утверждение Сталина список лиц, подлежащих расстрелу, в котором было 139 фамилий. Сталин вычеркнул из списка фамилию Егорова и наложил резолюцию: "За расстрел всех 138 человек". Дыбенко был расстрелян в июле 1938 г., а Егоров, благодаря вмешательству Сталина, прожил ещё полгода».
Обвинялся в «шпионаже, подготовке терактов и участии в к.-р. организации»; расследование его дела несколько замедлилось, но после смещения Ежова и принятия дел Берией некоторые дела были рассмотрены ускоренно, и Егоров был в числе нескольких других военных расстрелян в день Советской Армии — 23 февраля 1939. Кремирован на Новом Донском кладбище.
Посмертно реабилитирован 14 марта 1956 года.
В 1983 году была выпущена почтовая марка СССР, посвященная Егорову.