D'origine polonaise par son père, Alan Tudyk a vécu toute sa jeunesse à Dallas. Il suit des études d'art dramatique, et commence à se produire au théâtre dès 1993.
Il devient professionnel du spectacle à la fin des années 90. Après un petit rôle aux côtés de Robin Williams dans Docteur Patch, Alan Tudyk fait ses premières armes dans un rôle consistant en 2000, dans 28 jours en sursis, face à Sandra Bullock et Viggo Mortensen, deux acteurs avec qui il prendre beaucoup de plaisir à jouer. En 2001, il se retrouve face à Heath Ledger dans Chevalier, puis face à Anthony Hopkins dans Coeurs perdus en Atlantide. Sa carrière est lancée.
En 2002, il prête sa voix à un personnage du film d'animation l'Age de glace. Il renouvellera l'expérience en 2006 pour l'Age de glace 2, mais avec un autre personnage. Toujours dans le doublage, il incarne Sonny dans le film de science-fiction d'Alex Proyas, I, Robot. En 2007, il joue aux côtés de Christian Bale et Russell Crowe dans le western 3:10 pour Yuma.
Sur le petit écran, il tient l'un des rôles principaux de la série de science-fiction Firefly, créé par Joss Whedon. Il sera bien sur à l'affiche du film spin-off de la série, à savoir Serenity, tourné en 2005. Joss Whedon fera de nouveau appel à lui en 2009 pour jouer le grand méchant de sa nouvelle série, Dollhouse. Cette même année, il fait partie du casting de la série V.
Alan Tudyk est aussi un acteur de théâtre réputé et reconnu, avec de nombreuses pièces et spectacles à Broadway.
Il a aussi travaillé dans le monde du jeu vidéo, avec à son actif plusieurs doublages, dont ceux tirés de la franchise l'Age de Glace, ainsi que le jeu Halo 3.