Алексей Иванович Бутаков родился 19 февраля 1816 в усадьбе Пчёлкино Галичского уезда в дворянской семье.

Отец Алексея Ивановича вице-адмирал Иван Николаевич Бутаков служил вместе с Михаилом Петровичем Лазаревым, первооткрывателем Антарктиды.

Все 5 сыновей Ивана Николаевича Бутакова выбрали морскую карьеру, Григорий Иванович Бутаков — один из реформаторов российского флота после Крымской войны, Иван Иванович Бутаков совершил два кругосветных плавания: на транспорте «Або» и на фрегате «Паллада» (последнее описано писателем Иваном Александровичем Гончаровым).

После окончания Морского Кадетского корпуса в 1832 году Алексей Иванович служил на флоте, в 1840 году участвовал в плавании Кронштадт — мыс Доброй Надежды — Камчатка — мыс Горн — Кронштадт в качестве старшего офицера на транспорте «Або».

В 1840 – 1842 гг. Бутаков совершил кругосветное путешествие на транспортном судне «Або», при этом на побережье Мозамбика был свидетелем продажи невольников в Бразилию и решительно осудил работорговлю.

Он ознакомился с Никобарскими островами, Сингапуром, Камчаткой, Тихим океаном и Бразилией и написал образный отчет обо всем увиденном.

В 1846 году был приглашён Фаддеем Фаддеевичем Беллингсгаузеном флаг-офицером на эскадру соединенных дивизий на время маневров в Финском заливе, после которых был назначен командиром парусной шхуны «Радуга».

В 1848 году Бутаков назначен начальником экспедиции для исследования Аральского моря. В Оренбурге была построена шхуна «Константин», к лету 1848 года она была доставлена в Раимское укрепление вблизи устья Сыр-Дарьи.

В экипаж шхуны в первом плавании входил находящийся в оренбургской ссылке Тарас Шевченко, принятый в экспедицию в качестве художника. К концу августа 1849 г. работы по описанию Аральского моря были завершены, проведена общая рекогносцировка Арала, сделан промер глубин, произведена полная съемка острова Барса-Кельмес, открыта и изучена группа островов Возрождения, проводились астрономические определения с организацией сети астрономических пунктов, метеорологические наблюдения, опись ледовой обстановки в зимнее время, проведен сбор образцов полезных ископаемых, переданных затем в Петербургский горный институт, и флоры. 27 января 1849 года Бутаков был принят в действительные члены Русского географического общества.

В 1850 году на основании исследований Бутакова Гидрографическим департаментом Морского министерства была издана Морская карта Аральского моря. В том же году Бутаков был командирован в Швецию для заказа 2-х судов для Аральской флотилии. В 1852 году пароходы «Перовский» и «Обручев» в разобранном виде были доставлены в укрепление Раим.

Дальнейшие исследования Аральского моря проходили одновременно с боевыми действиями по присоединению среднеазиатских государств, и Аральская флотилия принимала в них участие. В 1853 году «Перовский» участвовал во взятии кокандской крепости Ак-Мечеть. Осенью 1854 года аральская верфь была перенесена в Казалинск, в 1855 году было составлено подробное описание реки Сырдарьи на 85 км выше Ак-Мечети. Аральская военная флотилия охраняла судоходство, обеспечивала воинские перевозки, производила гидрографические работы, все пароходы и вспомогательные суда имели артиллерийское вооружение. В июне 1858 года на пароходе «Перовский» Бутаков поднялся по Аму-Дарье вверх до Кунграда. Здесь он оказывал содействие российскому посольству в Хиве, в 1859 году с десантом в 140 человек Бутаков участвовал в военных действиях у Кунграда, было проведено обследование и опись Амударьи вплоть до Нукуса.

В январе 1860 году А. И. Бутаков был командирован в Англию и США для заказа 2 пароходов, плавучего дока и баржи для Аральской флотилии. В 1862 г. пароходы «Арал» и «Сырдарья» были спущены на воду в Казалинске. В течение лета 1863 г. была проведена опись Сырдарьи от Перовска на протяжении 807 км.

В 1864 году Бутаков переехал в Петербург и продолжил службу на Балтийском море, в 1865 году назначен младшим флагманом броненосной эскадры Балтийского флота, 15 октября 1867 года произведён в чин контр-адмирала, затем командовал отрядом судов в Средиземном море.

За исследования Аральского моря он был избран почетным членом Берлинского географического общества, в 1867 году получил золотую медаль Лондонского географического общества за исследования Аральского моря и устья Амударьи.

Алексей Иванович Бутаков умер 28 июня 1869 года в Германии в Швальбахе, куда направился для лечения.