Великий князь Александр Михайлович Романов был четвёртым сыном великого князя Михаила Николаевича (1832–1909), сына императора Николая I, и великой княгини Ольги Фёдоровны (1839–1891). Он родился в Тифлисе, где его отец состоял наместником на Кавказе. После рождения великий князь стал шефом 73-го пехотного Крымского полка, а при крещении получил ордена Св. апостола Андрея Первозванного, Св. Александра Невского, Белого орла и Св. Анны 1-й ст. Вместе с братьями он получал разностороннее домашнее образование и с детства готовился к военно-морской службе, приобретая необходимые теоретические познания и посещая военные суда и портовые сооружения.
В октябре 1885 года великий князь был зачислен мичманом в Гвардейский экипаж, а в июле следующего года – пожалован во флигель-адъютанты к Е. И. В. В 1886–1889 годах он осуществил кругосветное плавание на корвете «Рында», поле чего получил чин лейтенанта, а в 1890–1891 годах на собственной яхте «Тамара» совершил путешествие в Индию. Свои впечатления он изложил в сочинении «23 000 миль на яхте «Тамара». В 1892 году великий князь командовал миноносцем «Ревель», а в 1893 году вновь отправился в кругосветное плавание на фрегате «Дмитрий Донской» в составе команды, направленной в Северную Америку для участия в празднованиях по случаю 400-летия открытия Америки. В декабре 1894 года Александр Михайлович был произведён в капитаны 2-го ранга. В 1895 году он был назначен старшим офицером эскадренного броненосца «Сисой Великий». В том же году великий князь представил Николаю II записку с доводами в пользу того, что самым вероятным противником России на море будет Япония. Начало будущей русско-японской войны он намечал на 1903–1904 годы, предлагая в этой связи свой вариант программы судостроения. После отклонения его предложений Александр Михайлович покинул строевой состав флота, но уже в 1899 году вернулся на действительную службу и был назначен старшим офицером броненосца береговой обороны «Генерал-адмирал Апраксин». В декабре 1900 года великому князю был присвоен чин капитана 1-го ранга. В 1900–1903 годах он командовал броненосцем Черноморского флота «Ростислав», а в январе 1903 года получил чин контр-адмирала с зачислением в свиту Е. И. В. и назначением младшим флагманом Черноморского флота.
Александр Михайлович многое сделал для развития российского флота на рубеже XIX и XX столетий. В 1891–1906 годах под его редакцией выходил справочник «Военные флоты иностранных государств», кроме того, им были изданы справочники и сочинения «Чертежи миноносцев русского флота», «Русский флот», «Морские паровые котлы», «Курс паровых машин» и другие. С 1898 года великий князь был членом Совета по делам торгового мореплавания, затем стал его председателем. В 1902–1905 годах в качестве главноуправляющего он возглавлял Главное управление торгового мореплавания и портов, созданное по его же инициативе. Под руководством Александра Михайловича был выработан порядок постройки судов, начата реконструкция портов, улучшено образование моряков торгового флота. Великий князь был почётным членом Конференции Николаевской Морской академии, стоял во главе Императорского Русского общества судоходства, Русского технического общества, Общества естествоиспытателей при Петербургском университете. В период Русско-японской войны 1904–1905 годов он критиковал решение послать на Дальний Восток 1-й и 2-й Тихоокеанских эскадр, руководил подготовкой и действиями вспомогательных крейсеров. В 1904 году великий князь стал председателем Особого комитета по усилению флота на добровольные пожертвования.
В феврале 1905 года Александр Михайлович был назначен начальником отряда минных крейсеров на Балтике, построенных на пожертвования. В 1905–1909 годах был младшим флагманом Балтийского флота, летом 1906 года командовал Практическим отрядом обороны побережья Балтийского моря. После окончания Русско-японской войны он активно участвовал в совещаниях по поводу возрождения флота, настаивая на ускоренной постройке линкоров новых типов и увеличении ассигнований на военно-морской флот. В июле 1909 года Александр Михайлович был произведён в вице-адмиралы и пожалован в генерал-адъютанты. Он проявлял интерес к развитию не только военно-морского флота, но и воздушного, будучи одним из пионеров отечественной авиации. Великий князь стоял во главе отдела воздушного флота при Комитете по усилению военного флота на добровольные пожертвования, выступал инициатором посылки в 1909 году морских офицеров за границу для обучения в лётных школах Франции, создания в 1910 году офицерской школы авиации под Севастополем. В 1913 году он представил на утверждение правительству «Общий план организации воздухоплавания и авиации в России». В мае 1913 года он был удостоен ордена Св. Владимира 2-й ст.
С началом Первой мировой войны Александр Михайлович находился при командующем 4-й армии, с 1914 года он командовал авиацией Южного фронта. В декабре 1915 года ему был присвоен чин адмирала. В декабре 1916 года великий князь стал полевым генерал-инспектором военно-воздушного флота. В начале 1917 года Александр Михайлович поддержал идею создания правительства с участием общественных деятелей. После Февральской революции, 22 марта 1917 года, он был уволен от службы. С семьёй он жил в Киеве, затем перебрался в Крым, где некоторое время находился под домашним арестом. В декабре 1918 года он покинул Ялту на британском военном судне.
В эмиграции великий князь принимал активное участие в деятельности таких организаций, как Русский общевоинский союз (РОВС), Союз русских военных лётчиков (он был его почётным председателем), Парижская кают-компания, Объединение чинов Гвардейского экипажа. Александр Михайлович жил во Франции, Швейцарии и США, увлекался спиритизмом и археологическими исследованиями. Он умер в Рокебрюне на руках у жены в возрасте 66 лет, там же был похоронен.
Александр Михайлович был женат на своей двоюродной племяннице, сестре Николая II великой княжне Ксении Александровне (1875–1960). В браке родились дочь Ирина (1895–1970), с 1914 года состоявшая в браке с князем Ф. Ф. Юсуповым, и шестеро сыновей: Андрей (1897–1981), Фёдор (1898–1968), Никита (1900–1974), Дмитрий (1901–1980), Ростислав (1902–1978) и Василий (1907–1989). Все они состояли в морганатических браках.
