Родился 20 марта (2 апреля) 1910 года в рабочем посёлке Воронцовского медного рудника (ныне посёлок Воронцовка городского округа Краснотурьинск, Свердловская область). С 1918 года жил с родителями в городе Богословск (ныне Карпинск, Свердловская область), где в 1923 году окончил 4 класса школы. В 1923-1925 гг. жил в посёлке Турьинские рудники (ныне город Краснотурьинск). В 1925 году переехал с семьёй в город Надеждинск (ныне Серов, Свердловская область). В 1929 году окончил школу фабрично-заводского ученичества (ФЗУ). Во время учёбы в 1926-1929 гг. работал подручным сталевара мартеновского цеха Надеждинского металлургического завода. В 1929 году, по путёвке комсомола, направлен в Вольскую военно-теоретическую авиационную школу, которую окончил 1 июня 1930 года. 29 июня того же года поступил в Оренбургскую военную школу лётчиков, которую окончил 17 декабря 1931 года.

Служил старшим лётчиком и командиром звена в 1-й Отдельной Краснознамённой истребительной авиационной эскадрилье (Ленинградский военный округ, Гатчина). С августа 1933 года - командир звена и командир неотдельного авиаотряда 20-й истребительной авиаэскадрильи (город Хабаровск). В 1935 году присвоено звание "старший лейтенант". С октября 1935 года обучался в Военно-Воздушной академии. С мая 1936 года служил лётчиком-испытателем, а затем командиром звена НИИ ВВС Московского военного округа. Участвовал в испытаниях модификаций истребителей И-15 и И-16, а также испытаниях нового авиационного вооружения.

Участник гражданской войны в Испании с 14 июня 1937 года по 21 января 1938 года. Был пилотом, командиром 1-й эскадрильи И-15 и командиром 26-й группы истребителей И-15. В июле 1937 года вместе с М. Н. Якушиным впервые в истории отечественной авиации провёл ночные воздушные бои. Всего совершил около 180 боевых вылетов, участвовал в 38 воздушных боях, сбил 8 самолётов лично (из них 1 - ночью), вероятно имел и до 7 групповых побед. Награждён двумя орденами Красного Знамени. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 2 марта 1938 года полковник А. К. Серов удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина.

После возвращения из Испании назначен командиром авиационного отряда, в мае 1938 года назначен на должность начальника Главной лётной инспекции ВВС. В апреле 1939 года окончил Курсы усовершенствования командного состава при Военной академии Генерального штаба РККА. 9 февраля 1939 года присвоено звание комбрига (генерал-майор).

11 мая 1939 года погиб в учебном полёте на самолёте УТИ-4 вместе с Героем Советского Союза майором П. Д. Осипенко. Урна с прахом установлена в Кремлёвской стене на Красной площади в Москве.

В 1939 году город Надеждинск был переименован в город Серов. Бюсты А. К. Серова установлены в городах Краснодар и Серов. В посёлке Воронцовка на доме, в котором он родился, в городе Карпинск и посёлке Чкаловский на домах, в которых он жил, а также на территории Вольского военного института материального обеспечения установлены мемориальные доски. Его именем названы металлургический комбинат и техническое училище в городе Серов, два грузовых парохода; улицы в городах Архангельск, Ижевск (Удмуртия), Краснодар, Омск, Пермь, Саратов, Свердловск, Ставрополь, Элиста (Калмыкия), Жуковский (Московская область), Карпинск (Свердловская область), Минск (Белоруссия) и многих других населённых пунктах. На месте гибели в деревне Высокое (Рыбновский район Рязанской области) установлен памятник. В 1939-1960 гг. имя А. К. Серова носили Батайская военная авиационная школа лётчиков и Батайское военное авиационное училище лётчиков, с 1960 года носит Краснодарское высшее военное авиационное училище лётчиков.

Награждён орденами: Ленина (02.03.1938), Красного Знамени (31.07.1937, 02.10.1937), медалью "XX лет РККА" (23.02.1938).

Список известных воздушных побед А. К. Серова:

Д а т а	Противник	Место падения самолёта или проведения воздушного боя	Свой самолёт
07.07.1937	1  "Фиат"	Мадрид	И-15
24.07.1937	1  До-17	Брунете
27.07.1937	1  Ю-52	Мадрид (ночью)
Всего сбитых самолётов - 8 + 0  [3 + 0];  боевых вылетов - около 180;  воздушных боёв - 38.

Из материалов разных лет: