Получил кривую намагничивания железа (1872), систематически исследовал внешний фотоэффект (1888—1890), открыл первый закон фотоэффекта. Исследовал газовый разряд, критическое состояние и другие явления. Основал физическую лабораторию в Московском университете (1874).
Родился в семье небогатого купца, владельца бакалейной лавки и мастерской по выделке кож Григория Михайловича Столетова. Его мать, Александра Васильевна, будучи образованной женщиной, сама готовила своих детей (всего их было шесть) к поступлению в гимназию, обучая их арифметике и русскому языку. Александр в 4 года научился читать и впоследствии проявлял интерес к литературе, выпуская рукописный журнал во время учёбы в гимназии. Брат — Столетов, Николай Григорьевич.
По окончании курса во Владимирской гимназии поступил на физико-математический факультет Московского университета, где обучался у профессора Спасского М. Ф.. Далее, в 1860 году окончил курс и был оставлен при университете для приготовления к профессорскому званию.
С лета 1862 года до начала 1866 года пробыл за границей, занимаясь физикой сначала в Хайдельберге, потом в Гёттингене, Берлине, Париже и наконец опять в Хайдельберге, в лаборатории Кирхгофа.
С февраля 1866 года начал в Московском университете чтение лекций по математической физике.
В мае 1869 года защитил магистерскую диссертацию под заглавием «Общая задача электростатики и приведение её к простейшему случаю» и в июне того же года был утверждён доцентом по кафедре физики.
В 1871 году Столетов снова отправился за границу, где пробыл около полугода, работая в лаборатории Кирхгофа над своей докторской диссертацией. Эта диссертация под заглавием «Исследование о функции намагничения мягкого железа» была защищена в апреле 1872 года. В июне этого же года Столетов был утверждён экстраординарным профессором, а в следующем 1873 году ординарным профессором. Столетов читал вначале различные курсы по математической физике и физической географии, впоследствии перешёл на изложение опытной физики. Организатор первой в России учебно-исследовательской физической лаборатории. Непрерывно занимаясь своим любимым предметом, физикой, Столетов умел возбудить интерес к этой науке и в своих многочисленных учениках. Большая часть университетских профессоров физики были его учениками.
Все работы Столетова, как строго научные, так и литературные, отличаются замечательным изяществом мысли и выполнения. Кроме занятий в университете, Столетов немало времени посвятил работе в Обществе любителей естествознания и в музее прикладных знаний. В течение нескольких лет состоял председателем физического отделения Общества любителей естествознания и директором физического отдела при Политехническом музее. Проводя почти каждое лето за границей, Столетов имел возможность познакомиться со всеми выдающимися западноевропейскими физиками, с которыми постоянно поддерживал отношения. Принимал участие и в международных конгрессах. Состоял членом многих учёных обществ, как русских, так и иностранных: был почётным членом Общества любителей естествознания, почётным членом Киевского физико-математического общества, почётным членом Киевского общества естествоиспытателей, членом обществ Московского математического, Русского физико-химического, парижского «Soci?t? Fran?aise de Physique», членом-основателем и корреспондентом парижского «Soci?t? internationale des ?lectriciens», иностранным членом лондонского «Insitution of Electrical Engineers». Также был почётным членом Императорского университета св. Владимира.
Кроме занятия наукой Столетов интересовался литературой, искусством. В 1893 году трое академиков — Чебышёв, Бредихин и Бекетов — рекомендуют Столетова на выдвижение в члены Российской академии наук. Но великий князь Константин, президент Академии, не допускает кандидатуру Столетова до баллотировки.
Некрепкий по натуре, Столетов испытал в 1893 году большие огорчения и окончательно расстроил свой организм. В конце 1894 года здоровье Столетова как будто восстановилось, и он отдался устройству физической секции на IX съезде естествоиспытателей и врачей, превосходно организовав демонстративные заседания этой секции. В течение года Столетов чувствовал себя ещё довольно сносно, но с зимы 1895 года болезнь получила развитие и через некоторое время он скончался от воспаления лёгких.
Скончался А.Г. Столетов в г. Москве 15(27).5. 1896 года, похоронен во Владимире, на Князь-Владимирском (старом) кладбище.
Основные работы в области электромагнетизма, оптики, молекулярной физики, философии.
Перечень работ А. Г. Столетова приведён в «Журнале Русского физико-химического общества», т. 29, стр. 72. Кроме двух диссертаций, наиболее важные статьи: