Urodził się, kształcił i studiował w Lyonie, na południu Francji. Następnie zaczął pracować jako lekarz chirurg. Początkowo w samym Lyonie, a potem także w USA, na University of Chicago i w Instytucie Rockefellera. Wynalazł nowe metody i techniki chirurgii naczyniowej; był pionierem transplantologii i torakochirurgii. Został przyjęty w poczet licznych prestiżowych towarzystw naukowych, otrzymał też doktoraty honoris causa takich uczelni jak uniwerstytety w Belfaście, Princeton, kalifornijski, nowojorski, a także Brown i Columbia.
Wkład Alexisa Carrela w rozwój medycyny i biologii polegał na pracach nad transplantacją narządów i hodowlami tkankowymi. Wypracowanie technik szwu chirurgicznego naczyń krwionośnych pozwoliło na postęp w przeszczepianiu narządów. Badania Carrela nad kulturami tkankowymi wniosły także znaczący wkład w zrozumienie biologii wirusów i przyczyniły się do postępu w produkcji szczepionek.
Carrel był gorącym zwolennikiem eugeniki. W swojej książce l’Homme, cet inconnu, opublikowanej w 1935, nawoływał do rozpoczęcia programu udoskonalania społeczeństwa naukowo opracowanymi metodami. Cytat „Komórka jest nieśmiertelna! To tylko płyn, w której otoczeniu żyje, ją degeneruje! Odnawiając ten płyn systematycznie oraz dając komórce pożywienie którego wymaga, może ona praktycznie żyć wiecznie!” Jednym z najważniejszych środków do tego celu miała być według niego eutanazja, szeroko rozumiana jako eliminacja osobników kryminalnych i szkodliwych dla społeczeństwa. Chociaż nie można uznawać Carrela za prekursora faszyzmu, wysunął on między innymi propozycję używania w eutanazji komór gazowych.
