Il est le fils de Richard Pettyfer et de Lee Robinson. Il a un demi-frère plus jeune, James Ireland, né du remariage de sa mère avec Michael Ireland. Il a commencé comme mannequin chez Ralph Lauren ainsi que chez Burberry, en tant que tête d'affiche (2008/2009). Alex est surtout connu pour avoir interprété le rôle d'Alex Rider dans Stormbreaker. C'est Anthony Horowitz, auteur de la série Alex Rider, qui a recommandé le jeune acteur au réalisateur de Stormbreaker. En 2008, il a joué dans le film Wild Child, accompagné d'Emma Roberts, nièce de Julia Roberts. La même année, il devient l’égérie de la célèbre marque Burberry. En 2010, il est a l'affiche de Numéro Quatre avec Dianna Agron. En 2011, il tient la vedette avec Vanessa Hudgens et Mary-Kate Olsen dans le film Sortilège et joue également le rôle de Fortis dans Time Out aux côtés de Justin Timberlake.
En 2012, il partage l'affiche de Magic Mike aux côtés de Channing Tatum

Alex est quelqu'un de calme, patient et doux. Derrière son air de bad boy qui fait craquer les filles, il aime se faire beau et être romantique. Il a toujours eu l'habitude d'avoir des filles derrière lui, ce qu'il aime beaucoup. Malgré tout, il cherche un amour posé avec une fille qui saura l'aprécier pour autre chose que pour son corps de rêve. Il est jaloux et possessif et a horreur qu'on lui impose des choix et est libre comme le vent.