Abandonà els estudis de medicina per entrar a la companyia de teatre d’Ernest Vilches i abans de la guerra civil feu teatre i interpretà dos films, El 113 (1935, Raphael J. Sevilla) i Las Tres Gracias (As três graças, 1936, Leitão de Barros). El 1940 reprengué la seva carrera i aviat es convertí en un actor de moda, amb títols com ¡Harka! (1940-41, Carlos Arévalo), Escuadrilla (1941, Antonio Román) i Raza (1941, José Luis Sáenz de Heredia; rebatejat el 1950 com El espíritu de una raza), amb guió de Francisco Franco sota el pseudònim de Jaime de Andrade, peripècia vital en què encarnà l’alter ego del dictador. Obtingué una gran popularitat gràcies a l’èxit del film i el contracte en exclusiva de la productora CIFESA, motiu pel qual interpretà tot un reguitzell de papers de galant uniformat, heroi militar abnegat i prototip del règim, com ¡A mí la Legión! (1942, Juan de Orduña) i El santuario no se rinde (1949, Arturo Ruiz-Castillo). També feu algun melodrama com Malvaloca (1942, Lluís Marquina) i la comèdia Deliciosamente tontos (1943, J. de Orduña), amb la seva companya a la vida real, Amparo Rivelles. A la dècada del 1950, després d’una malaltia que l’apartà de l’activitat artística durant quasi tres anys, patí un declivi professional i només aconseguí papers secundaris i en produccions modestes com Obsesión (1947, A. Ruiz-Castillo) i El último cuplé (1957, J. de Orduña), al costat de Sara Montiel. La seva carrera experimentà una revifalla en protagonitzar films de nous realitzadors, com Carlos Saura a La caza (1965), premi al millor actor del Círculo de Escritores Cinematográficos (CEC) 1966, i Peppermint Frappé (1967); un dels capítols del film col·lectiu Los desafíos (1968, José Luis Egea) pel qual obtingué el premi al millor actor del CEC 1969, i de Pedro Olea a El bosque del lobo (1970). En total intervingué en més de 200 títols. El 1974 rebé el premi del Sindicat Nacional de l’Espectacle per tota la seva carrera. Participà també en produccions televisives, com "Casa de muñecas" (1971) i "La noche del cine español", i mai no renegà del seu passat franquista, sinó que hi ironitzà en el documental Raza, el espíritu de Franco (1977, Gonzalo Herralde), i a Patrimonio Nacional (1980, Luis G. Berlanga), en què acceptà encarnar un franquista amb un passat molt semblant al seu. Morí a Palma mentre rodava la sèrie Tristeza de amor, i fou substituït per Eduardo Fajardo. El seu nebot és un reconegut director de fotografia, Alfredo F. Mayo (Madrid 1943), que ha il·luminat Las cartas de Alou (1989-90, Montxo Armendáriz); i Familia (1997) i Barrio (1998), ambdós de Fernando León de Aranoa, entre d’altres.
1944 El camino de Babel, J.Mihura.
1945 Chantaje, A. de Obregón.
1958 Quince bajo la lona, A.Navarro.
1963 Cinquanta-cinc dies a Pequín (55 Days at Peking), N.Ray.
1972 La lletra escarlata (Der Scharlachrote Buchstabe), W.Wenders.
1973 La campana del infierno, C.Guerín Hill (acabat per J.A.Bardem); Vera, un cuento cruel, J.Molina.
1982 Hablamos esta noche, P.Miró.
GALÁN, D. i LARA, F.: "Alfredo Mayo: hombre de buena fe", 18 españoles de posguerra. Planeta, Barcelona 1973, p. 75-84.
ROMÁN, M.: Los cómicos. Royal Books, Barcelona 1996, vol. II, p. 121-126.