Родился 25 мая (5 июня) 1798 года в Ревеле (ныне — Таллин) в семье известного русского музыкального деятеля Фёдора Петровича Львова. Двоюродный племянник архитектора Н. А. Львова. Сестра — писательница М. Ф. Ростовская, младший брат — художник Ф. Ф. Львов. Получил в семье хорошее музыкальное воспитание. В семилетнем возрасте играл на скрипке в домашних концертах, обучался у многих педагогов, в том числе у Ф. Бёма, уроки композиции брал у И. Г. Миллера.
В 1816 году окончил Институт корпуса инженеров путей сообщения с производством в чин прапорщика и по исполнении практических занятий в институте 26 октября того же года был произведён в чин подпоручика; 9 июня 1818 года произведён в поручики и откомандирован к работам по военным поселениям. Работал в аракчеевских военных поселениях инженером-путейцем, не оставляя занятий на скрипке. Заслужив благосклонность начальства, в 1821 году был произведён в чин капитана и пожалован орденом Святого Владимира 4-й степени. В следующем году был назначен старшим адъютантом в штаб военных поселений, во время службы в котором дважды был пожалован бриллиантовыми перстнями (в 1823 и 1825).
3 февраля 1826 года был уволен в отставку с производством в чин майора, но уже в ноябре того же года вернулся на службу с назначением старшим адъютантом штаба отдельного корпуса жандармов.
В 1833 году получил известность как автор музыки нового русского национального гимна. За создание гимна государь пожаловал автору золотую, осыпанную бриллиантами табакерку с собственным портретом, а 11 апреля 1834 года назначил своим флигель-адъютантом.
С 1835 года в доме Львова проходили еженедельные квартетные собрания, возглавляемый им струнный квартет получил широкую известность. Славились и симфонические концерты, устраивавшиеся Львовым, ставшие основой созданного им «Концертного общества» (1850). 1 января 1836 года произведен в чин полковника[1].
В 1837 году он получил орден Святого Владимира 3-й степени и был назначен директором Придворной певческой капеллы. При нём повысился художественный уровень исполнения хора капеллы (в 1837—1839 годах её капельмейстером был Глинка); при капелле были учреждены в 1839 году инструментальные классы, издан употребляемый православной церковью полный круг песнопений (знаменного распева) в 4-голосной гармонизации (выполненной впервые под руководством Львова) — в связи с этой работой Львов написал трактат «О свободном или несимметричном ритме».
3 декабря 1842 года за 25 лет выслуги в офицерских чинах он получил орден Святого Георгия 4-й степени. 10 октября 1843 года произведён в чин генерал-майора.
В 1852 году был пожалован орденом Святой Анны 1-й степени с императорской короной, а 6 декабря 1853 года был произведен в тайные советники и назначен гофмейстером. В апреле 1855 года назначен сенатором с оставлением директором придворной капеллы и в 1859 году был награждён орденом Святого Владимира 2-й степени с мечами.
В июне 1861 года уволен от должности директора придворной капеллы, а 30 августа 1862 года пожалован в обер-гофмейстеры.
30 декабря 1863 года за уважение заслуг ему было пожаловано в вечное и потомственное владение из казённых участков 4030 десятин 340 саженей удобной и неудобной земли в Бузулукском уездеСамарской губернии[2].
Жена (с 6 ноября 1838 года)[3] — Прасковья Агеевна Абаза (25.01.1817—28.06.1883), дочь крупного саратовского землевладельца и сестра Александра Абазы. Венчались в Петербурге в церкви Собственного их величества Аничкова дворца, поручителями по жениху были Е. П. Самсонов и П. Ф. Львов; по невесте Н. Манзей и Э. Абаза. По отзыву современников, молодая Абаза была одной из первых девиц-красавиц при дворе[4], она «очень мило пела и участвовала в хорах»[5]. По замечанию барона М. Корфа, «Львов сам по себе не имел состояния, но жена возвысила его талант и положение в свете своим богатством. Супруги жили в прекрасном доме на Караванной, со всеми прихотями роскоши и с обширной залою, устроенною именно для концертов, по всем правилам акустики»[6]. За заслуги мужа 13 сентября 1858 года была пожалована в кавалерственные дамы ордена Св. Екатерины (меньшого креста). Похоронена рядом с мужем в Пожайском монастыре.
Дети: Федор (1842—1899), Прасковья (1844—1920; жена директора Николаевского сиротского дома А. Л. Вакселя) и Александра (1846).
Львов — крупный представитель русского скрипичного искусства 1-й половины XIX века. Не имея возможности (из-за своего служебного положения) выступать в публичных концертах, он, музицируя в кружках, салонах, на благотворительных вечерах, прославился как замечательный виртуоз. Лишь во время путешествий за границей Львов выступал перед широкой аудиторией. Здесь у него завязались дружеские отношения с Ф. Мендельсоном, Дж. Мейербером, Г. Спонтини, Р. Шуманом, высоко ценившим исполнительское мастерство Львова — солиста и ансамблиста. Последователь классической школы, Львов изложил основные начала скрипичной игры в брошюре, к которым приложил собственные «24 каприса», не утерявших до сих пор художественно-педагогического значения.
Композиторское творчество Львова эклектично. Традиции русской музыкальной культуры сочетаются с сильным итальянским и, особенно, с немецким влияниями.
Духовные композиции Львова в стиле партесного пения имеют немецкий оттенок, что вызвало у многих композиторов в то время недоумениe. М. И. Глинка и князь В. Ф. Одоевский на основе своих исследований показали, что используемые Львовым приёмы гармонизации противоречат древней русской традиции церковного пения[7].
; Пресс-служба телеканала «Россия К».: .Документальный фильм "Алексей Львов. Рождение Гимна"(рус.). Телеканал «Россия – Культура» (4 июня 2019). — «Это документальный музыкальный фильм о жизни, творчестве и драматической судьбе Алексея Фёдоровича Львова – русского композитора XIX века, блистательного скрипача и инженера, офицера, возглавлявшего конвой императора, крупного мастера духовной музыки, почти четверть века руководившего Придворной певческой капеллой.» Дата обращения: 12 июня 2019. Архивировано 9 июня 2019 года.