Son père, Raymond Badiou, normalien, professeur de mathématiques en classe préparatoire, résistant SFIO, fut maire de Toulouse de 1944 à 1958, avant de démissionner et de rejoindre le Parti socialiste unifié (PSU), à la création duquel il participe (en 1958), devant le ralliement de son parti à De Gaulle.
Ancien élève de l'École normale supérieure, cacique de l'agrégation de philosophie en 1960, Alain Badiou enseigne d'abord en lycée (tout en collaborant ponctuellement avec l'ENS), puis à la faculté de lettres de Reims (collège littéraire universitaire).
Militant au Parti socialiste unifié (PSU), dirigé alors par Michel Rocard, il participe, avec Emmanuel Terray, à un groupe de réflexion se réclamant du marxisme-léninisme et dénonçant « l'opportunisme de droite » de divers courants au sein du parti. Il rejoint à Normale le « groupe Spinoza », constitué en 1967 par Althusser, puis prend part, en 1969, à la création de l'UCF (ml), maoïste.
Dès sa création, il intègre l'équipe du Centre universitaire expérimental de Vincennes (année 1968-1969). Il contribue au développement de cette université (désormais Paris-VIII, déplacée de Vincennes à Saint-Denis) durant une trentaine d'années. À Vincennes, Deleuze raille son « bolchévisme », tandis que Badiou reste plutôt du côté de Lacan, accusé par Deleuze et Lyotard de stalinisme.
Il devient professeur à l'École normale supérieure de la rue d'Ulm en 1999, puis professeur émérite dans cette institution.
Il a également été directeur de programme au Collège international de philosophie.
Très influencé par Louis Althusser dans ses premiers travaux épistémologiques, il fait appel à la mathématique, seule capable, selon lui, de déployer l'ontologie.
Outre son activité de philosophe, Badiou est romancier et dramaturge, ce qui l'a amené à travailler avec des metteurs en scène comme
Antoine Vitez ou Christian Schiaretti. Parallèlement, il effectue un travail d'éditeur auquel l'a initié son ami François Wahl : il a longtemps codirigé avec Barbara Cassin la collection « L'ordre philosophique » aux éditions du Seuil. Après avoir quitté le Seuil suite à un conflit de politique éditoriale, Cassin et Badiou poursuivent leur collection philosophique, désormais intitulée « Ouvertures », chez Fayard.
Parmi ses autres responsabilités, Badiou anime « Les Conférences du Perroquet » et participe, en tant que membre perpétuel, à l'Académie de philosophie du Brésil.
Sa vie et son oeuvre peuvent être subdivisées en deux parties. Cependant, Alain Badiou lui-même récuse totalement cette dichotomie.