Dernier des 9 enfants de Jacques Dreyfus, industriel, et Rachel Katz, Alfred est né le 9 octobre 1859 à Mulhouse. Il passe son enfance dans la maison familiale rue du Sauvage.
En 1872, sa famille opte pour la nationalité française et quitte l'Alsace pour Paris. Après l'annexion de l'Alsace-Lorraine par l'Allemagne en 1871, les habitants ont la possibilité de choisir entre la nationalité française ou allemande. Il décide alors de s'engager dans l'armée, souhaitant voir l'Alsace revenir à la France.
Il entre à l'Ecole Polytechnique en 1878, devenant officier d'artillerie, et à l'École de Guerre en 1890.
La même année, il épouse Lucie Hadamard (23 août 1869-14 décembre 1945), d'une famille aisée de diamantaire. Ils ont deux enfants, Pierre Dreyfus (5 avril 1891-28 décembre 1946) et Jeanne Levy Dreyfus (22 février 1893- 30 avril 1981).
En 1893, il est attaché à l'état-major de l'armée au Ministère de la Guerre comme capitaine-stagiaire.
En 1894, les services de renseignements découvrent un bordereau portant sur des secrets militaires français, à l'ambassade d'Allemagne, comportant notamment des informations sur l'artillerie. Alfred Dreyfus apparaît très rapidement comme le suspect idéal : il travaille à l'état-major, il est artilleur, et a des origines alsaciennes et juives. En outre, son écriture comporte des similitudes avec celle du bordereau.
Le 15 octobre, il est arrêté et incarcéré à la prison du cherche-midi. Un procès à lieu à Rennes le 19 décembre 1894. Dreyfus est condamné à la dégradation et à la déportation quelques jours après, le 22. Il est dégradé le 5 janvier 1895 dans la cour d'honneur de l'Ecole Militaire de Paris devant une foule furieuse qui crie « À bas les juifs ! ».

Le 22 février 1895 on l'embarque dans le Ville-de-Saint-Nazaire, qui amarre à l'Île-Royale le 12 mars. Gardé en secret total sur Royale, il pose pied sur l'Île du Diable cinq jours plus tard. Au début il eut une relative liberté de mouvement, quoique fortement suspecté de s'évader, mais en 1896 la rumeur d'une tentative d'évasion de sa part se répand, et les gardes font construire une palissade autour de sa case. Il ne peut plus voir la mer et est confiné à l'intérieur de l'enceinte entourant sa case.

Sa santé et son moral s'empirent drastiquement ; le bagnard Ullmo, qui occupera la case après Dreyfus, dira que celui-ci disait parler aux requins et que ceux-ci venaient à l'appel. Il dort avec l'aide de calmants prescrits par le médecin des îles, écrit à sa femme, à son frère, au président (toute sa correspondance est inspectée minutieusement), et essaie de jardiner un peu sous l'oeil attentif des gardes, mais échoue. Il remplit ses cahiers du nom de sa femme, Lucie, et de figures géométrique.

Il est rapatrié en métropole en 1899, un homme profondément changé. Tenu dans l'ignorance complète des avances sur son dossier, il n'essaiera toutefois jamais de s'évader ou de tenter quelconque violence à l'encontre des autorités du bagne.

Le 21 janvier 1896, le colonel Georges Picquard devenu chef du service de renseignement en juillet 1895, intercepte un document, le « petit bleu », qui ne laisse aucun doute sur les accointances de son auteur, le commandant Esterhazy, avec l'ambassade d'Allemagne, et dont l'écriture est identique à celle du bordereau qui a entraîné la condamnation de Dreyfus. L'Affaire Dreyfus éclate au grand jour. 

Après cassation du premier jugement, il est rapatrié pour être jugé par un second conseil de guerre, à Rennes, le 30 juin 1899. Il est de nouveau reconnu coupable de trahison avec des circonstances atténuantes et condamné à dix ans d'emprisonnement.I
 
Il bénéficie d'une grâce Présidentielle et le 12 juillet 1906 la Cour de Cassation casse son jugement.

Il est réintégré dans l'armée avec le grade de Commandant et reçoit peu après la Légion d'Honneur, avec le grade de chevalier.

En 1908, il est victime d'un attentat par balles et blessé lors des cérémonies de transfert au Panthéon des cendres d'Emile Zola, son défenseur, auteur du célèbre J'Accuse...!.

Il sert pendant la Première Guerre Mondiale comme lieutenant-colonnel et voit l'Alsace revenir à la France. Une anecdote veut que ce fut lui qui accueillit les deux aviateurs qui avaient détecté le changement de direction de l'armée allemande qui allait déclencher la bataille de la Marne. Il les laisse informer l'état-major malgré son grade supérieur. Il termine la guerre avec le grade d'Officier de la Légion d'Honneur

Il meurt en 1935 à Paris d'une crise cardiaque. Bien que totalement réhabilité, Alfred Dreyfus n'aura pas eu la carrière militaire à laquelle il était prédestiné, ses états d'avancements étant freiné par l'affaire Dreyfus. Il est enterré au cimetière du Montparnasse à Paris.