Родился во Флоренции. Считался побочным сыном 17-летнего Лоренцо II Медичи (внука Лоренцо Великолепного). Хотя многие ученые сегодня считают, что на самом деле он был побочным сыном Джулио Медичи (позже — папы Климента VII), племянника Лоренцо Великолепного. Историки предполагают, что он мог родиться от чернокожей женщины, служившей прислугой в доме Медичи, которая упоминается в документах как Симонетта да Коллавекьо (Simonetta da Collavechio), выданная замуж за итальянца. Его прозвище il Moro (Смуглый, Мавр) может быть связано с этим фактом.
Джулио Медичи (будущий Климент VII) правил Флорентийской республикой до начала своего понтификата в 1523 году. Фактически продолжая управлять делами республики, папа формально ставит во главе Флоренции подростков Алессандро Медичи и Ипполито Медичи, назначив им в опекуны кардинала Сальвио Пассерини. Непопулярная политика и неудачные методы правления Климента VII привели к Сакко ди Рома и третьему изгнанию рода Медичи из Флоренции в 1527 году. Лишь заключив союз с Карлом V в 1530 г., папа после 9-месячной осады возьмёт город обратно и вернёт в нём власть своей семьи. В 1531 году 19-летний Алессандро был сделан папой правителем Флорентийской республики с титулом «Capo» (Глава). Глава республики по должности входил в каждый из правительственных комитетов, а также пожизненно занимал должность Гонфалоньера справедливости. Через год однако император Карл V присвоил ему наследственный титул герцога. Это было воспринято как конец Флорентийской республики. Император поддерживал Алессандро в его борьбе с республикански настроенными флорентийцами, и даже выдал за него свою побочную дочь Маргариту Пармскую.
Алессандро отличался жестоким и деспотичным нравом, имел склонность к извращениям. Был весьма злопамятным. Во время его правления сторонники республики подвергались бесчисленным пыткам и казням. Его подозревали в отравлении кардинала Иполлито Медичи, его родственника, конкурировавшего с ним в борьбе за власть. Помимо всего прочего, горожане не любили его за склонность к оргиям, его обвиняли в похищениях и изнасилованиях флорентиек, в том числе и во вторжениях в женские монастыри.
Алессандро был убит своим кузеном Лоренцино Пополано де Медичи по прозванию Лорензаччо («плохой Лоренцино») и наёмным убийцей Скоронконколо. Лоренцино заманил свою жертву на свидание к своей сестре, прекрасной вдове Лодомии (Вариант: он убил его за посягательство на Лодомию). Из страха перед восстанием, которое могло бы возникнуть, если бы слухи распространились, тело герцога было завернуто в ковер, вынесено и тайно захоронено на кладбище Сан-Лоренцо.
В обращении, опубликованном позже, Лоренцино объявил, что убил герцога на благо республики. Через некоторое время он бежал в Венецию, где в 1548 году был убит. Партия сторонников Медичи (т. н. Palleschi), гарантировав сохранение власти города за правящей династией, за неимением законных наследников Алессандро, передала власть Козимо I Медичи, первому представителю «младшей» ветви семьи.
Со своей официальной супругой Маргаритой Пармской Алессандро потомства не имел (они не прожили в браке и года). Его любовница и дальняя родственница, Таддея Маласпина родила ему детей:
Прямые потомки Джулии и Бернадетто Медичи до сих пор живут в Италии.
Сыну — Джулио, было 4 года во время смерти отца. Новый герцог Флоренции — Козимо I, дальний родственник по боковой линии, забрал детей предшественника в свой дом и воспитал их как родственников, позаботился о карьере и достойных браках.