Александр Сергеевич Демьяненко родился в Свердловске. Его отец в молодости окончил ГИТИС, играл на сцене, позже преподавал актерское мастерство в консерватории, поэтому неудивительно, что Александр увлекся театром и несколько лет занимался в кружке художественной самодеятельности при Дворце культуры. Тем не менее после школы он успешно сдал в 1954 году экзамены на юридический факультет Свердловского университета и только через год вместе с друзьями отправился в Москву, где поступил в ГИТИС, который и окончил в 1959 году.
   В кино актер дебютировал ролью, которая привлекла к Александру Демьяненко внимание и зрителей, и режиссеров - в картине Александра Алова и Владимира Наумова "Ветер", вышедшей на экраны в 1958 году, он сыграл Митю. У этих же режиссеров Демьяненко снялся в фильме "Мир входящему" (1961), благодаря которой его узнали за рубежом - лента была отмечена несколькими премиями на фестивале в Венеции.
   В том же году вышли два фильма, которые сделали актера известным и в СССР, - "Карьера Димы Горина" и "Взрослые дети". Вскоре Александр Демьяненко покинул театр имени Маяковского и начал работать на киностудии "Ленфильм".
   Удачными актерскими работами Демьяненко отмечены приключенческие картины "Государственный преступник" и "Сотрудник ЧК". Но огромная популярность пришла к Александру Демьяненко после выхода на экраны страны комедии Леонида Гайдая "Операция "Ы" и другие приключения Шурика". Успех был настолько велик, что режиссер через два года поставил продолжение приключений столь полюбившегося зрителям героя.
   И все три фильма Гайдая с участием Демьяненко - "Операции "Ы"...", "Кавказская пленница" и "Иван Васильевич меняет профессию" - вошли в "золотой фонд" советского комедийного кино. Однако удачный образ Шурика как камень висел на актере, не позволяя выйти за рамки сложившегося амплуа. Тем не менее, Демьяненко сумел создать запоминающиеся работы в нескольких фильмах у режиссеров, которых интересовал незаурядный драматический талант актера, - в "Угрюм-реке" (приказчик Иван Сохатых) и в "Учителе пения" Наума Бирмана.
   Кроме того, актер много работал в театре, снимался на телевидении, озвучивал анимационные фильмы. Стоит отметить, что Александр Демьяненко был одним из ведущих актеров дубляжа - его голосом говорил в "Мертвом сезоне" разведчик Ладейников в исполнении Донатаса Баниониса, а также актеры Омар Шариф, Жан-Поль Бельмондо, Уго Тоньяцци и многие другие.
   В 1968 году на ленинградском телевидении Александр Демьяненко поставил короткометражный фильм "Святая ложь". Последние годы актер с успехом играл на сцене Санкт-Петербургского театра "Приют комедиантов".
   Народный артист РСФСР (1991).