После Первой мировой войны родители отца будущего космонавта, литовцы по национальности, поселились в Рязанской губернии, где и родился Станисловас Курайтис (Stanislovas Kuraitis). В 1934 году после убийства Сергея Мироновича Кирова в СССР начались репрессии, во время которых многие литовцы были арестованы из-за отношений с Литвой и другими зарубежными странами. Станисловас Курайтис (отец космонавта) в 1945 году был осуждён как «враг народа» за антисоветскую агитацию и отправлен в лагерь на 5 лет. Его жена Валентина была вынуждена развестись и взять свою девичью фамилию — Елисеева.
В 1943 году Алексей Курайтис окончил два класса школы в городе Боровое Кокчетавской области, в 1946 году окончил три класса в 4-й железнодорожной школе села Немчиновка Московской области. В 1950 году, будучи 16-летним переньком, Алексей Курайтис сменил фамилию и стал Алексеем Елисеевым. В 1951 году окончил среднюю школу № 167 города Москвы. После окончания школы, с 1951 года по 1957 год учился в Московском высшем техническом училище имени Н. Э. Баумана, получил диплом инженера-механика. По распределению работал в лаборатории ОКБ-1, откуда уволился в связи с поступлением в аспирантуру Московского физико-технического института. Аспирантуру будущий космонавт закончил в 1962 году. После окончания аспирантуры вернулся на работу в ОКБ-1, где участвовал, в частности, в проектировании систем управления космических кораблей. 23 мая 1966 года получил статус кандидата в космонавты-испытатели, а позднее (30 декабря 1966 года) — космонавта-испытателя.
Космонавт проходил подготовку в качестве бортинженера корабля «Союз» по программе «Стыковка». Был членом экипажа корабля «Союз-2», который должен был стартовать 24 апреля 1967 года для стыковки с запущенным ранее кораблём «Союз-1» и перехода вместе с третьим членом экипажа «Союза-2» (Хруновым) для возвращения на «Союзе-1». Ввиду неполадок на однотипном «Союзе-1» (полёт которого окончился катастрофой с гибелью космонавта Комарова) старт «Союза-2» был отменён, что спасло жизни его экипажа.
В 1968—1969 годах входил в группу советских космонавтов, готовившихся по советским программам облёта Луны Л1/«Зонд» и посадке на неё Л3. По этим программам в 1968 году выезжал в командировку в Сомали для изучения южного полушария неба.
До декабря 1968 года продолжал подготовку по программе «Стыковка». Первый полёт состоялся 15 января 1969 года. Продолжительность полёта составила 1 сутки 23 часа 45 минут 50 секунд. Экипажами впервые в мире была выполнена пилотируемая стыковка пилотируемых кораблей.
Второй полёт Елисеева состоялся 13 октября 1969 года на корабле «Союз-8». Полёт завершился успешно 18 октября 1969 года. Продолжительность полёта — 4 суток 22 часа 50 минут 49 секунд.
Третий полёт в качестве бортинженера у Елисеева состоялся 22-24 апреля 1971 года на корабле «Союз-10». Впервые в мире была осуществлена стыковка корабля с орбитальной станцией («Салют-1»), однако космонавты не смогли проникнуть внутрь станции из-за поломки стыковочного агрегата, и полет был прерван досрочно. Позывной: «Гранит-2». Продолжительность полёта составила 1 сутки 23 часа 45 минут 54 секунды.
16 февраля 1973 года после защиты диссертации получил степень доктора технических наук. С 11 октября 1973 года исполнял обязанности руководителя комплекса № 0. С 14 июня 1974 года работал заместителем генерального конструктора — руководителем комплекса № 1. Руководил полетами всех пилотируемых кораблей СССР в этот период.
В период с 2 января 1986 года по 1991 год Елисеев являлся ректором МВТУ. С 22 октября 1991 года по 31 января 1996 года работал руководителем проектов в ООО «IBM СССР» (переименована в IBM Восточная Европа/Азия). С 3 января 1997 года — президент АОЗТ «Фесто» (Festo). На данный момент руководит одним из подразделений Московского энергетического института и возглавляет фонд поддержки образования российского отделения «Фесто».
Живёт в Москве, на улице Большая Бронная, в многоквартирном доме, где проживали космонавты Владислав Волков и Георгий Добровольский.
Летчик-космонавт СССР (22.01.1969).
Космонавт-инструктор 3-го класса (26.6.1969).
Космонавт-инструктор, космонавт-испытатель 2-го класса (4.12.1969).
Инструктор космонавт-испытатель 1-го класса (14.6.1971).
Мастер спорта СССР по фехтованию.
Книга «Жизнь — капля в море» (М: Издательский дом «Авиация и космонавтика», 1998).
Автор и соавтор большого числа публикаций в различных журналах, имеет 5 изобретений.
Депутат Верховного Совета СССР 11-го созыва.
Народный депутат СССР (1989—1992 годы).
Делегат XXIV—XXVII съездов КПСС.
В 1987—1991 гг. — председатель президиума советского общества по культурным связям с соотечественниками за рубежом (общество «Родина»).
В 1991—1992 гг. — председатель исполкома ассоциации по связям с соотечественниками за рубежом (ассоциация «Родина»).
С 10 января 1991 года был руководителем депутатской группы по связям с региональными межпарламентскими организациями Европы Верховного Совета СССР.
Член-корреспондент Международной академии астронавтики.
Мать — Елисеева Валентина Ивановна, род. 23.02.1909, зав. лабораторией Института физической химии АН СССР, доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель России. На пенсии.
Отец — Курайтис Станислав Адамович, (1905—1978). После освобождения из лагеря в семью не вернулся. Работал начальником лаборатории ЦНИИ кожевенно-обувной промышленности города Москвы.
Брат по матери — Атовмян Арташес Вагинакович, (17.04.1944 — 09.07.1989) инженер ЦКБ «Луч», затем работал в ИКИ АН СССР.
Отчим — Атовмян Вагинак Ефремович, (1898—1959), работал главным инженером кожевенного завода им. Серёгина, в городе Сетунь Московской области.
Дочь — Елисеева Елена Алексеевна, род. 09.03.1960, художник-постановщик киностудии, преподаёт художественную композицию во ВГИКе и одновременно английский язык в начальной школе.
Жена (бывшая, развелись в 1966 году) — Шпаликова Валентина Павловна, род. 23.05.1935, старший инженер ЦНИИ автоматики и гидравлики.
Вторая жена — Комарова Лариса Ивановна, род. 12.07.1934, начальник сектора НПО «Энергия».
Почётный гражданин города Калуги.
В городе Жиздра Калужской области, на родине дважды Героя Советского Союза 6 сентября 1978 года на красно-коричневом гранитном постаменте установлен бронзовый бюст (скульптор Л. Е. Кербель).