Окончил математический факультет Ленинградского государственного университета в 1952 году, в 1955 году — аспирантуру ЛГУ. Кандидат физико-математических наук (1956, тема диссертации — «Задачи типа Лэмба в неоднородном пространстве»). Работал младшим и старшим научным сотрудником в Ленинградском отделении Математического института им. В. А. Стеклова (ЛОМИ). Заведующий лабораторией Вычислительного центра Сибирского отделения РАН в Новосибирске с 1963 года, с 1973 года — заместитель, а в 1980—1998 годах — директор Вычислительного центра СО РАН (в настоящее время Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН)), с 1998 года — советник РАН.
В 1966 году защитил докторскую диссертацию на тему «Прямые и обратные задачи сейсмики».
Был главным редактором «Сибирского журнала вычислительной математики», членом Президиума СО РАН, председателем Объединённого учёного совета по математике и информатике СО РАН, Совета по вибропросвечиванию Земли СО РАН, Научного совета РАН по проблемам прикладной геофизики. Являлся членом Американского математического общества и Европейского геофизического общества. Автор и соавтор более 200 научных трудов, в том числе, двух монографий. Профессор Новосибирского государственного университета, заведующий кафедрой математических методов геофизики механико-математического факультета НГУ.
Труды по теоретической и вычислительной геофизике, математическому моделированию геофизических явлений и цифровой обработки наблюдений. Впервые исследовал новый класс математических задач геофизики — обратные динамические задачи сейсмики — и развил численные методы решения таких задач, а также численно-аналитические методы решения прямых задач. Первооткрыватель (вместе с учениками) новых типов «нелучевых» волн, имеющих важное значение при интерпретации сейсмических данных.
Государственная премия СССР (1982) за участие в разработке лучевого метода.
Кавалер медали «За доблестный труд» (1970), ордена Октябрьской Революции (1971), ордена «Знак Почёта» (1975), ордена Трудового Красного Знамени (1982), ордена Кирилла и Мефодия (Болгария), медали ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени (1999).
В 2001 году именем академика Алексеева была названа одна из малых планет (астероид № 9933), открытая в Крымской астрофизической обсерватории Н. С. и Л. И. Черных.