Родился 23 июня 1963 в Москве. Окончил филологический факультет МГУ им. Ломоносова. Защитил кандидатскую и докторскую диссертации (диссертация «Жизнь как творчество в дневнике и художественной прозе Пришвина»). Доктор филологических наук, профессор МГУ, преподает русскую литературу начала XX века и одновременно ведет творческий семинар в Литературном институте имени А. М. Горького. Член Союза российских писателей (с 1993).

Дебютировал как прозаик рассказом «Тараканы» в журнале «Октябрь». Первая книга «Дом в Остожье» вышла в 1990 году. Известность автору принесли роман «Лох» и повесть «Рождение» (журнал «Новый мир», 1995), которая победила в конкурсе «Антибукер». Роман «Одиннадцатое сентября» вызвал неоднозначные оценки критики. В 2014 году увидел свет роман «Мысленный волк» (время действия 1914—1918 гг.), который автор назвал «личной попыткой высказаться о Серебряном веке».

Постоянный автор серии «Жизнь замечательных людей». В серии ЖЗЛ А. Варламов выпустил книги о Михаиле Пришвине, Александре Грине, Алексее Толстом, Григории Распутине, Михаиле Булгакове, Андрее Платонове, Василии Шукшине.