De família d’exiliats de la Guerra Civil Espanyola, és fill del fisiòleg asturià Ramon Álvarez-Buylla i net del polític Wenceslao Roces (1897-1992), que fou senador per Astúries en les primeres eleccions democràtiques (1977) a Espanya.
Llicenciat en biomedicina a la Universidad Autónoma de México (1983), amplià estudis a la Rockefeller University de Nova York, on obtingué el doctorat (1988) i on fou professor assistent (1989) i cap de laboratori (1995-2000). Actualment ocupa la càtedra Heather i Melanie Muss del departament de neurocirurgia de la Universitat de Califòrnia-San Francisco. Ha ideat diverses tècniques de preparació de teixits, entre d’altres, el mapatge per ordinador i les tincions fluorescents per a l’anàlisi, però sobretot ha destacat en la recerca sobre neurogènesi a partir de cèl·lules glials, relacionada amb les investigacions sobre tumors.
Ha estat guardonat amb diverses distincions, com ara el Givaudan-Roure Award de l’Associació de Ciències de Quimioreceptors (2004), la càtedra Santiago Grisolía (2006), la càtedra Ramón y Cajal de la Societat Espanyola de Neurologia (2009) i el premi Príncipe de Asturias de les ciències (2011), compartit amb Joseph Altman i Giacomo Rizzolatti.