Александр Николаевич Вертинский родился 21 (9) марта 1889 года в Киеве. Отец Вертинского - частный поверенный Николай Петрович Вертинский (1845—1894) происходил из семьи железнодорожного служащего. Мать, Евгения Степановна Сколацкая, из дворянской семьи.В девятилетнем возрасте Александр Вертинский на отлично сдал экзамен в Первую киевскую гимназию, но через два года был исключён за неуспеваемость и дурное поведение и переведён в 4-ю Киевскую гимназию, откуда также был исключён в 5-м классе.
Некоторое время Александр играл на любительской сцене и был статистом в киевском театре Соловцова, хотя позже признавал свой первый актёрский опыт крайне неудачным.
Постепенно Вертинский приобрёл репутацию начинающего киевского литератора: он писал театральные рецензии на выступления знаменитостей — Фёдора Шаляпина, Анастасии Вяльцевой, Михаила Вавича, Джузеппе Ансельми, Марии Каринской, Титты Руффо, публиковал небольшие (как правило, «декадентские») рассказы в киевских газетах.
В 1913 году Вертинский, в надежде сделать литературную карьеру, переехал в Москву, где начал выступления в литературных и драматических сообществах, в том числе в качестве режиссёра, некоторое время работал в ателье А.Ханжонкова. В те же дни сблизился с футуристами и познакомился с Маяковским. Большое впечатление производили на Вертинского «поэзоконцерты» Игоря Северянина.
В 1913 году Вертинский попытался поступить в Московский художественный театр, но не был принят из-за дефекта дикции и начал выступать на сцене Театра миниатюр, которым руководила М.А.Арцыбушева.
Кинодебют Вертинского состоялся в 1913 году в фильме «Обрыв», где ему досталась небольшая роль кадета.
В конце 1914 года Вертинский добровольно отправился на фронт санитаром, где получив лёгкое ранение, вернулся в Москву и продолжил сниматься в кино.
Дебют Александра Вертинского на эстраде состоялся в 1915 году, в знакомом ему Арцыбушевском театре миниатюр, которому он предложил свою новую программу: «Песенки Пьеро». Постепенно, исполняя песни на собственные стихи и на стихи поэтов Серебряного века (Марина Цветаева, Игорь Северянин, Александр Блок), Вертинский выработал собственный стиль выступления, важным элементом которого стал певучий речитатив.
Вертинский продолжил эстрадную деятельность, поступив на работу в театр Петровский, которым руководила Марья Николаевна Нинина-Петипа. С этой труппой Вертинский провёл многочисленные гастроли по стране, развивая собственный жанр песни-новеллы с кратким, но законченным сюжетом.
В конце 1917 года Вертинский выехал на гастроли по южным городам России, где провёл почти два года, выступая в Одессе, Ростове, Екатеринославе, на Кавказе и в Крыму, к этому времени сменив костюм Пьеро на фрак.
В 1919 году Вертинский уехал в Киев, оттуда перебрался в Харьков, где дал множество концертов и познакомился с актрисой Валентиной Саниной, затем оказался в Одессе. Последним городом его пребывания на Родине стал Севастополь. Из Севастополя в ноябре 1920 года на пароходе «Великий князь Александр Михайлович» вместе с остатками армии барона Врангеля Александр Вертинский переправился в Константинополь, где начал снова давать концерты — в основном, в клубах «Стелла» и «Чёрная роза». В 1921 году Вертинский уехал в Румынию, где выступал в дешёвых ночных клубах и много гастролировал по Бессарабии перед русскоязычным населением.
В 1923 году Вертинский переехал в Польшу, затем в Германи. Гастролировал по европейским странам и постепенно завоевал популярность за рубежом, продолжая сниматься в кино и выпуская стихотворные сборники.
В 1925 году Вертинский переехал во Францию, где продолжил активную концертную деятельность. Годы, проведённые в Париже, считаются расцветом творческой жизни А. Вертинского.
В 1933 году Вертинский покинул Францию и отправился по ангажементу в Ливан и Палестину. Осенью 1934 года Александр Вертинский отбыл в Америку. На первом же концерте Вертинского в Нью-Йорке собрались многие известные представители русской эмиграции: Рахманинов, Шаляпин, Никита Балиев, Болеславский, Рубен Мамулян, а также его парижская знакомая Марлен Дитрих. К этому времени репертуар Вертинского стал меняться: на смену экзотическим сюжетам пришли ностальгические мотивы («Чужие города», «О нас и о Родине»), театральные персонажи, исполненные надрывных страстей, стали уступать место обычным людям, испытывающим простые человеческие чувства. В тридцатые годы впервые Вертинский стал использовать в своих песнях стихи советских поэтов.
В 1935 году из Сан-Франциско Вертинский утправился в Маньчжоу-го. Сперва он жил в Харбине, где давал концерты, откуда перебрался в Шанхай, где проживала большая русская колония. Здесь он пробыл до своего отъезда в СССР в 1943 году.
Вертинский гастролировал на фронте, исполнял патриотические песни — как советских авторов, так и собственного сочинения. После войны Вертинский активно гастролировал, давая по 24 концерта в месяц. Только в дуэте с пианистом Михаилом Брохесом за 14 лет он дал более двух тысяч концертов, проехав по всей стране, выступая не только в театрах и концертных залах, но на заводах, в шахтах, госпиталях и детских домах. Продолжил сниматься в кино. За роль в фильме «Заговор обречённых» (кардинал Бирнч) он и получил свою единственную государственную награду: Сталинскую премию (1951).
Последний концерт Вертинского состоялся 21 мая 1957 года в Доме ветеранов сцены им. Савиной в Ленинграде. В тот же день Александр Николаевич скончался от острой сердечной недостаточности в гостинице «Астория», на 69-м году жизни. Похоронен на Новодевичьем кладбище Москвы.