Родился 5 августа 1891 года в Малоархангельске Орловской губернии в семье служащих. Обучался в Курской гимназии. В 1911 году поступил на физико-математический факультет Московского университета. В 1915 году ушёл на фронт и участвовал в Первой мировой войне, а затем с 1917 по 1921 годы, в период Гражданской войны, служил в Красной Армии.
С 1921 года вернулся к научной деятельности, занялся метеорологией. Научную деятельность начал с изучения климатических условий курортов Северного Кавказа, организовав в Кисловодске опорную актинометрическую станцию. В 1924 году опубликовал первые научные работы. В 1931 году переехал в Москву и до 1941 года работал в Государственном геофизическом институте. В 1933 году начал педагогическую деятельность в Московском гидрометеорологическом институте, где заложил основы преподавания климатологии. В 1938 году был назначен заведующим кафедрой климатологии. В 1936 году получил степень кандидата географических наук. В 1941 году защитил докторскую диссертацию на географическом факультете Московского Государственого Университета. В ноябре 1941 года перешёл в Московский университет на должность профессора кафедры общей физической географии географического факультета. В 1944–1958 годы - заведующий кафедрой метеорологии и климатологии МГУ.
В 1936 году предложил принципиально новую классификацию климата, основанную не на характеристиках климатических элементов (температура, влажность, радиационный фон, скорость ветра, количество осадков, испарение), а на динамике воздушных масс. Основные труды Алисова по географическим аспектам климатологии, в том числе по генетической классификации климатов земного шара и климатическому районированию. Исходя из существования четырёх основных географических типов воздушных масс, Алисов выделил четыре основных и три промежуточных климатических пояса.
Основные пояса:
Промежуточные пояса:
В каждом типе выделяются континентальный и морской подтипы. Выполненное на основе этой классификации районирование территории бывшего СССР и других регионов Земли и поныне не потеряло своей ценности. Современные студенты-географы изучают климатологию по учебникам профессора Алисова.
Награждён орденом Ленина (1954). Заслуженный деятель науки РСФСР (1961).