Алексей Алексеевич Ухтомский родился 25 июня 1875 г. в городе Рыбинске на Волге. Годы детства и юности, проведенные в небольшом волжском городке, Алексей Алексеевич всегда вспоминал с нежностью, гордился своей родиной, всю жизнь называл себя «волгарем».
Закончив начальную гимназию, по настоянию отца будущий ученый продолжил свое образование в среднем военно-учебном заведении — кадетском корпусе Нижнего Новгорода. Но выпускника кадетского корпуса Алексея Ухтомского не привлекала карьера военного. В то время более всего его интересовали гуманитарные науки, а именно — история, философия. Алексей переехал в Москву и, успешно сдав экзамены, стал слушателем философского и исторического факультетов Московской духовной семинарии.
Глубокие философские изыскания, желание познать сущность материи, поиск ответов на извечный вопрос философии «Что есть человек?» побудили Алексея обратиться к естественным наукам, в частности к физиологии.
24-летний Алексей Ухтомский в очередной раз резко меняет сферу своих интересов и продолжает образование, поступив на физико-математический факультет Петербургского университета. В 1902 г. он уже пробует силы на новом для себя поприще: талантливого, любознательного и прилежного студента приглашают для работы в физиологическую лабораторию физико-математического факультета, которой руководил в то время Н.Е. Введенский.
В 1904 г., подготавливая демонстрационный опыт для лекции своего учителя, Ухтомский заметил, что у собаки в период подготовки к акту дефекации (опорожнения кишечника) электрическое раздражение двигательных точек коры головного мозга начинает тормозить движение конечностей и, напротив, усиливает возбуждение в центрах дефекации, заложенных в поясничных сегментах спинного мозга. Как только дефекация завершилась, электрическое возбуждение двигательных точек коры головного мозга начало вызывать обычное движение конечностей. Это случайное наблюдение привлекло внимание Ухтомского, который попытался найти объяснение подобного явления.
Серия аналогичных опытов подтвердила мнение исследователя о том, что существует некая закономерность, объясняющая ряд законов деятельности центральной нервной системы, выделенная, описанная и названная Ухтомским доминантой.
Изучению данной проблемы, разработке учения и доминанте Алексей Алексеевич посвятил несколько лет своей научной работы. Ряд научных трудов, периодически публикуемых в научных журналах, позднее были объединены им в одну работу «О зависимости двигательных кортикальных эффектов от побочных центральных влияний» — докторскую диссертацию, которую Ухтомский блестяще защитил в 1911 г.
В 1912 г. Ухтомскому было присвоено звание приват-доцента и предоставлено право чтения лекций студентам. Ухтомский разработал и читал курс лекций по мышечной и нервной физиологии и физиологии органов чувств.
Новый 1915 г. принес перспективному ученому звание прозектора (ассистента профессора, подготавливающего анатомические препараты, опыты, иллюстрирующие его лекции) физиологической лаборатории Петроградского университета. Ухтомский помогает Введенскому в работе над его концепцией лабильности, продолжает трудиться над собственной теорией.
В 1918 г. Алексей Алексеевич Ухтомский стал штатным доцентом, а чуть позже — профессором и заместителем заведующего физиологической лабораторией.