Окончил филологический факультет Московского государственного университета (1985). Защитил кандидатскую и докторскую диссертации (диссертация «Жизнь как творчество в дневнике и художественной прозе Пришвина»). Доктор филологических наук, профессор МГУ, преподаёт русскую литературу начала XX века и одновременно ведёт творческий семинар в Литературном институте им. Горького.
Член Союза российских писателей (с 1993).
Был членом общественного совета «Литературной газеты» (до 1997), редакционного совета ежемесячника «Накануне» (1995). Член редакционных коллегий журналов «Литературная учеба», «Октябрь», «Роман-газета» (с 1998).
Читал лекции о русской литературе в университетах Европы и США. Визитинг-профессор университета Айовы (США, 1998).
Дебютировал как прозаик рассказом «Тараканы» в журнале «Октябрь» (1987, № 12). Первая книга «Дом в Остожье» вышла в 1990 году. Известность автору принесли роман «Лох» (журнал «Октябрь», 1995) и повесть «Рождение» (журнал «Новый Мир», 1995), которая победила в конкурсе «Антибукер». Роман «Одиннадцатое сентября» вызвал неоднозначные оценки критики (он вышел в журнале «Москва» в 2003 году).
Автор ряда публицистических и литературоведческих статей. Член жюри литературной премии «Ясная Поляна».
Постоянный автор серии «Жизнь замечательных людей». В серии ЖЗЛ А. Варламов выпустил книги о Михаиле Михайловиче Пришвине, Александре Грине, А. Н. Толстом, Григории Распутине, М. А. Булгакове.