Alexandre Aja est le fils du cinéaste français Alexandre Arcady et de la critique de cinéma Marie-Jo Jouan. Il fait d'ailleurs ses débuts artistiques, sous le pseudo d'Alexandre Jouan, dans les films de son père, le Grand pardon (1982), le grand carnaval (1983), l'union sacrée (1989), et enfin le grand pardon II (1992).
En 1997, il réalise son premier court-métrage, Over the rainbow , qui se retrouvera en compétition officielle au Festival de Cannes. En 1999, il passe au long-métrage avec Furia, qu'il produit et scénarise (avec celui qui va devenir son fidèle collaborateur, Gregory Levasseur).
En 2000, il retrouve son père, sur Là-bas... mon pays, où il tient le poste de réalisateur de seconde équipe. Il réitérera l'expérience en 2002 (pour Entre chiens et loups) puis en 2004 (pour Mariage mixte).
En 2003, il sort Haute tension, film d'horreur made in France, qui lui apportera la renommée, et qui lui ouvrira les portes d'Hollywood. En 2006, il sort La colline a des yeux, remake d'un film de Wes Craven. Le film est très bien accueilli par la critique, et ce malgré une violence graphique et psychologique importante. L'année suivante, il scénariste et produit 2ème sous-sol, un thriller qui ne connaît pas le succès escompté.
En 2008 il sort Mirrors, avec dans le premier rôle la star de 24 heures chrono, Kiefer Sutherland, remake du film coréen Into the mirror. En 2010, il s'attèle de nouveau à un remake, le Piranha de Joe Dante: Piranha 3-D, surfant pour l'occasion sur la vague des films en 3D.
Si ses films ne brillent pas forcément par leur originalité (pratiquement tous ses films sont des remakes), Alexandre Aja est toutefois suffisamment doué pour apporter du sang neuf au genre, en particulier en ne faisant aucune concession à la censure, livrant des films marquant d'un point de vue visuel, oppressant et bien souvent dérangeants.
Un cinéaste que le magazine Variety liste parmi le 10 réalisateurs à surveiller.