Родился в с. Шоршелы Мариинско-Посадского района Чувашской АССР (ныне Чувашской Республики).
По окончании в 1947 г. Мариинско-Посадского лесотехнического техникума до 1950 г. работал мастером по лесозаготовкам в Деревянском леспромхозе Карельской АССР. В 1954 г. окончил Фрунзенское военно-авиационное училище, в 1968 г. – Военно-воздушную инженерную академию им. Н.Е. Жуковского. Призван в Советскую Армию в 1950 г. С 1954 г. служил летчиком-истребителем в частях ПВО Московского военного округа. В 1960 г. зачислен в отряд космонавтов. В 1962 г. А.Г. Николаев и П.Р. Попович впервые в мире осуществили на кораблях-спутниках «Восток-2» и «Восток-4» групповой полет, который открыл новый этап в освоении космоса. С 1963 по 1968 гг. являлся командиром отряда космонавтов, в 1968–1974 гг. – заместителем начальника Центра подготовки космонавтов и одновременно готовился к полету на Луну в рамках «лунной программы». В июне 1970 г. совершил второй полет в космос в качестве командира корабля «Союз-9» совместно с В.И. Севастьяновым. С 1974 по 1992 гг. являлся первым заместителем начальника Центра подготовки космонавтов им Ю.А. Гагарина. С 1992 г. генерал-майор авиации в запасе. Автор книг «Встретимся на орбите», «Космос – дорога без конца», «Притяжение Земли».
Вел активную общественно-политическую деятельность: избирался депутатом Верховного Совета РСФСР 6-го, 7-го, 8-го, 9-го, 10-го, 11-го, 12-го созывов (1963–1993), внес большой вклад в решение вопросов социально-экономического развития Чувашской Республики.
Награжден орденами Ленина, Трудового Красного Знамени, Красной Звезды, иностранными орденами и медалями. Дважды Герой Советского Союза. Летчик-космонавт СССР. Ему присвоены звания Героя Социалистического Труда Народной Республики Болгарии, Героя Труда Демократической Республики Вьетнам, Героя Монгольской Народной Республики. 29 августа 1962 г. первым был занесен в Почетную книгу Трудовой Славы и Героизма Чувашской АССР.
Его имя носят кратер на Луне, ледниковый купол на острове Ева-Лив (архипелаг Земля Франца-Иосифа), хребет в Антарктиде, корабли, улицы, в Чувашии – 2 школы, детский парк в г. Чебоксары, Центральный стадион в г. Новочебоксарск, сквер в с. Аликово. В с. Шоршелы действует Мемориальный комплекс летчика-космонавта СССР А.Г. Николаева. В 1987 г. в г. Чебоксары на улице его имени открыт памятный знак. На месте его захоронения в черте мемориального комплекса в с. Шоршелы построена часовня. В 2004 г. Федерацией космонавтики России учреждена памятная медаль им. космонавта А.Г. Николаева. Ему посвящена поэма С. Шавлы «Звездный человек», а также сняты фильмы: «Советским космонавтам слава!», «Избранник народа», «Космонавт-3». Почетный гражданин ряда государств ближнего и дальнего зарубежья, Чувашской Республики и 16 городов России, в том числе г. Чебоксары.