D’ascendència valenciana i portuguesa, el 1540 anà amb el seu pare a Portugal, on el seu avi patern era al servei de Joan III. Aquest l’envià a Flandes i el recomanà a Anthonis Moor. De nou a Portugal, continuà tenint molta relació amb aquest país, fins al punt de passar per portuguès (és conegut amb el nom d'Alonso Sanches —o Sánchez— Coello). El 1555 era a Castella, i dos anys més tard entrà en contacte amb la cort, a la qual ja sempre restà vinculat, primer a Valladolid i Toledo i després a Madrid, com a pintor de cambra, càrrec en què succeí el seu mestre Moor. Assolí una posició acomodada i, a més de pintor, fou poeta i escriptor ocasional sobre algun aspecte concret de genealogia i dret.
Com a pintor destacà en el retrat cortesà i assolí justa fama en haver sabut assimilar les directrius de Ticià —alguns quadres del qual copià— i fonamentalment de Moor. Com ells, es caracteritzà per la concreció, el vigor i l’elegància dels representats, envoltats però d’una atmosfera més freda i distant, on predominen sobretot els tons argentins i grisosos damunt un fons neutre. Cal inscriure'l, per tant, dins el context manierista de caire molt aristocratitzant, afí al de l’escola de Fontainebleau, on també prevalen la minuciositat, el refinament i l’exacta i gelada objectivitat. Mèrit seu, tanmateix, és haver sabut captar encertadament la psicologia dels personatges sense deixar d’embellir-los una mica; d’aquí l’ennobliment i la senyoria que irradien figures com el príncep Carles o la nana Magdalena Ruiz i tot.
Hom l’ha considerat la primera anella d’una cadena que, continuada pel seu deixeble Pantoja de la Cruz i altres, culminà amb Velázquez. Cal destacar de la seva obra els diversos retrats del príncep Carles (museu del Prado, Viena, Dublín i col·l del comte de Villagonzalo), de les infantes Isabel Clara Eugènia i Caterina Micaela (Descalzas Reales i Prado, Madrid; palau de Buckingham, Londres), Felip II (Prado), Joan d’Àustria (Londres, col·l Stirling), Margarida de Parma (museu de Brussel·les), Isabel de Valois (museu de Viena), Anna d’Àustria (museu de Viena, col·l Stirling-Maxwell de Glasgow i Museo Lázaro Galdiano de Madrid), Príncep Felip (museu de Munic), l'Emperador Rodolf II (palau de Buckingham), etc. D’entre els pocs personatges no reials cal esmentar els retrats del Duc d’Alba (Palacio de Monterrey, Salamanca), la sèrie de quadres pintats per al senyor de Perstein, marit de Maria Lara de Mendoza (palau Randnitz de Bohèmia), la Dama vestida de negre i la Dama de l’ermini (col·l Stirling), la Duquessa de Béjar (col·l dels ducs de Montellano), etc. A Barcelona destaca el retrat de cavaller que fou de la col·lecció Reig, i a València hi ha diversos retrats d’escola seva a la galeria de personatges cèlebres de la biblioteca del Col·legi del Corpus Christi; hom ha descartat que fos autoretrat seu el que en realitat és del cinquè duc de Villahermosa, obra potser de Rolam de Mois (Museu de Belles Arts).
Conreà també el gènere religiós, sense igualar però la seva categoria de gran retratista. Hom esmenta el retaule de l’església de l’Espinar (1547) sobre escenes de la vida de Crist i les sargues que el tanquen; el retaule de Colmenar Viejo —si fa no fa de la mateixa data—; la Incredulitat de Sant Tomàs (catedral de Segòvia); el Martiri de Sant Sebastià i els Desposoris místics de santa Caterina (Prado), i set quadres, molt manieristes, de parelles de sants, encarregats el 1580 per Felip II per a l’església d’El Escorial.