Отец Уайтхеда — англиканский викарий, дед — основатель частного пансионата для мальчиков, брат — англиканский епископ Мадраса, племянник — математик Джон Уайтхед. В 1880 году Альфред поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета, где его на первых порах интересовала только математика. В мае 1884 году был допущен в круг «апостолов» университета, зачислен в преподавательский состав.
Диссертация Уайтхеда была посвящена вопросам физики, а именно — максвелловской теории электричества и магнетизма. Путём сравнения проблем современной физики и алгебры Уайтхед приходит к идее сравнительного сопоставления и деконструкции параллельных символических дискурсов. В 1891 году начал работу над «Курсом универсальной алгебры», в 1898—1903 годах написал второй том этого капитального труда.
В 1891 году Уайтхед женился на ревностной католичке-ирландке, воспитанной в монастыре. Её религиозность оказала большое влияние на развитие его мысли в сторону метафизических и религиозных построений. Он стал живо интересоваться богословием, в особенности авторами-католиками, такими, как Генри Джон Ньюмен, однако официально не вступил ни в одну религиозную конгрегацию.
Уже в 1890 году внимание Уайтхеда привлёк один из самых его многообещающих учеников в Кэмбридже — Бертран Рассел. В июле 1900 года они отправились в Париж на Первый международный конгресс по философии, где их поразило выступление Джузеппе Пеано и в особенности аксиомы Пеано: принципы арифметики, казалось, можно было свести к началам символической логики. Рассел не только освоил аксиомы Пеано, но и значительно обобщил его идеи в своём первом наброске «Принципов математики» (1900). Ознакомившись с этой работой, Уайтхед признал, что логика — более фундаментальная дисциплина, чем математика, и что вся математика строится на «уточнённых» началах формальной логики.
До 1910 году Уайтхед и Рассел работали над переработкой «Принципов математики» в трёхтомный труд «Principia Mathematica», само название которого отсылает к ньютоновскому шедевру «Philosophi? Naturalis Principia Mathematica». «Сверхзадачей этой работы было охватить логической схемой все наличное содержание математического знания». В разгар этой работы Уайтхед выступил перед Королевским обществом с докладом «О математических понятиях материального мира», в котором противопоставил ньютоновской триаде (реальность строится из точек пространства, частиц материи, моментов времени, а геометрия и физика — независимые дисциплины) лейбницовскую теорию релятивизма, или относительности пространства («законы физики не предполагают геометрии, но создают её»).
В 1903 году Тринити-колледж поставил Уайтхеда во главе всего преподавательского состава математиков и заключил с ним контракт на десять лет. Однако перспектива получить профессорскую кафедру казалось, была, недостижима: Уайтхеда интересовали не изобретение новых теорем и не отдельные математические проблемы, а философское объяснение самой природы математики в её соотношении с другими дисциплинами, с пространством и временем. Закончив работу над «Principia Mathematica», Уайтхед переехал из Кембриджа в Лондон, где в 1911 году опубликовал популярное «Введение в математику» и стал преподавать в колледже при Лондонском университете. В 1914 году он получил кафедру профессора прикладной математики в этом учебном заведении.
Педагогическая деятельность Уайтхеда заставила его критически переосмыслить господствовавшую в Европе систему образования. Будучи избранным президентом Ассоциации математиков, он выступил в 1916 году с докладом о целях образования, где заявил: «Культура состоит в активности мысли и восприимчивости к красоте и человечности чувств. Лоскуты информации не имеют ничего общего с нею». Он настаивал на том, что задача преподавателя — не в том, чтобы вбить в голову ученика как можно больше сведений, а в том, чтобы способствовать его саморазвитию. Интересны мысли Уайтхеда о соотношении свободы и дисциплины в образовательном процессе. Выступления Уайтхеда сделали его имя известным в гуманитарных кругах, он был избран президентом академсовета при университете и деканом научного факультета.
В годы Первой мировой войны Уайтхеда занимала проблема общефилософских основ физики в свете ревизионистского учения Эйнштейна о времени, пространстве и движении. В «Исследовании принципов естествознания» (1919) он выступил с альтернативной эйнштейновской теорией относительности, которая не привлекла внимания профессиональных физиков по причине своей отвлеченности и усложненности. В общих чертах, Уайтхед стремился объяснить время, пространство и движение исходя из данных человеческого опыта и восприятия внешнего мира, а не из гипотетических предположений относительно параметров, существование которых допустимо, но находится вне нашего опыта.
В отличие от Рассела, Уайтхеда нельзя было назвать пацифистом. Хотя он привествовал пафицистскую деятельность своего бывшего товарища и посещал его в тюрьме, куда он был заключен за призывы бойкотировать службу в армии, вся семья Уайтхеда по-своему принимала участие в борьбе с Германией, а его младший сын погиб в бою. С годами всё большее место в его деятельности занимала гуманитарно-философская проблематика. С 1915 года он активно дискутирует с философами относительно опытных основ научного знания, а в 1920 году публикует нематематический трактат «Понятие природы», в котором впервые пишет об изменчивости бытия и вводит понятие события как вторжения в поток времени неких «надвременных компонентов». Отчетливо проявившиеся в метафизике Уайтхеда элементы платонизма и бергсонианства вызвали отторжение многих его коллег-математиков, в том числе и Рассела.
В 1924 году, когда Уайтхед стал серьёзно задумываться о выходе на пенсию, Гарвардский университет предложил ему на пять лет занять кафедру профессора философии. За этим предложением стоял друг Уайтхеда, историк Генри Осборн Тейлор; с энтузиазмом отнеслась к перемене обстановки и супруга философа. В начале 1925 году чета направилась в Бостон, где Уайтхед прочёл восемь лекций по теме «Наука и современный мир», в которых подверг беспощадной критике «научный материализм» как господствующее в современном мире воззрение, согласно которому природа сводится к материи в движении, либо к перетекающей из одного состояния в другое физической энергии. Собственные идеи Уайтхеда были пересыпаны цитатами из его любимых поэтов, Вордсворта и Шелли.
В январе 1927 года Уайтхед был приглашён с лекциями в Эдинбургский университет. К этому времени его метафизическая «философия организма» стала слишком сложной для понимания рядовых студентов, и он был вынужден разработать замысловатый понятийный аппарат для её корректного и внятного изложения. В эдинбургских лекциях Уайтхед ополчился против мнения Дэвида Юма о том, что чувственный опыт не может служить основой долговечного философского учения, а может лишь поверять его истинность. Он нарисовал картину вселенной, состоящей из сущностей в процессе становления, то есть впитывания и освоения бесчисленного числа объектов, исходящих от предвечного Бога (постоянный источник новых возможностей).
В окончательном виде эдинбургские лекции появились в печати в 1929 году под названием «Процесс и реальность», и эта книга замкнула собой череду великих европейских трактатов на метафизические темы. В отличие от великих метафизиков прошлого — Спинозы, Лейбница, Гегеля — Уайтхед считал своё философское учение лишь приближением к пониманию беспредельной сложности бытия. Став свидетелем крушения казавшейся непреложной ньютоновской системы мироздания, Уайтхед отказывался принимать догматизм в философии, науке либо теологии. Свои религиозные взгляды он выразил в сжатой форме в работе «Религия в созидании» (1926), выступив с оправданием религии как отношения индивида не к иным индивидам и их группам, а к вселенной в целом. Тем самым религия, по Уайтхеду, представляет собой самый глубокий срез человеческого одиночества.
Уайтхед продолжал лекционную деятельность в Гарварде до 1937 года. Большим успехом пользовались и философские вечера в его доме. После смерти его тело было кремировано, неопубликованные рукописи и письма сожжены, похорон не было. Его последней крупной работой был трактат «Приключения идей» (1933), в котором он продемонстрировал, как одни и те же идеи, несмотря на их кажущийся антагонизм, являются отражением единой сущности. Резюмируя свою метафизическую теорию, Уайтхед высказал оригинальные мнения по поводу содержания таких понятий, как красота, истина, искусство, приключение и мир. У него не осталось прямых учеников, но его идеи получили развитие, в частности, в трудах влиятельного американского теолога Чарльза Хартшорна.