Treballà al Rockefeller Institute de Nova York, i és autor de treballs bàsics sobre fisiopatologia i cirurgia experimental, entre els quals cal esmentar els dedicats a les sutures i als empelts de les artèries, al cultiu de teixits in vitro , juntament amb Montrose Thomas Burrows, al trasplantament d’òrgans (1908) i a la desinfecció de les ferides de guerra (mètode de Carrel-Dakin). Li fou concedit el premi Nobel de medicina i fisiologia el 1912. És autor, entre altres obres, de L’homme, cet inconnu (1935), de gran difusió, i de Le voyage à Lourdes (1950), on descriu la seva conversió al catolicisme.