Arquitecto por la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid en 1957, se incorpora a la misma como profesor en 1959, como ayudante de la cátedra de construcción del profesor Antonio Cámara. En 1961 pasa a ser profesor ayudante de la asignatura de Proyectos con los profesores Luis Villanueva y Javier Carvajal; en 1963 profesor adjunto de la cátedra de Elementos de Composición, de la que formaban parte De la Sota y Carvajal, además de Julio Cano Lasso, José María García de Paredes y Francisco Javier Sáenz de Oiza coordinando las asignaturas de Proyectos e Instalaciones en los cursos superiores. En el año 1970 ganaría la Cátedra de Elementos de Composición, en la que permanecería hasta su jubilación en el año 1997. En la actualidad tiene la condición de Profesor Emérito de la Universidad Politécnica de Madrid.
Desde el proyecto para la construcción del Monasterio de la Anunciación, Convento del Rollo en Salamanca en 1961 (por el que obtuvo el Premio Nacional de Arquitectura en 1963) hasta los últimos proyectos relacionados con las nuevas infraestructuras ferroviarias, como la nueva estación del Portillo en Zaragoza (2006) o cercanías de la Puerta del Sol en Madrid (2009). La trayectoria profesional de Antonio Fernández-Alba se ha extendido a proyectos y obras en los que se abordan los equipamientos pedagógicos y los campus universitarios (Colegio Mayor Hernán Cortés de Salamanca, Escuela de Arquitectura de Valladolid, Facultad de Derecho de la Universidad Autónoma de Madrid, Campus de la Universidad de Castilla-La Mancha en Ciudad Real; Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alcalá de Henares); la restauración de monumentos (Real Observatorio Astronómico, Pabellón de invernáculos del Real Jardín Botánico, Restauración del Hospital Clínico de San Carlos en Atocha para su destino como Centro de Arte Reina Sofía, Plaza Mayor de Salamanca, Real Clerecía de Salamanca, Palacio Ducal de Pastrana), los centros culturales y de investigación (Biblioteca del Instituto de Cooperación Iberoamericana, Casa de la Cultura de Vitoria, Centro de Investigaciones Biológicas del CSIC en Madrid, Centro de Genómica y Biotecnología de la UPM), centros espirituales (convento de Carmelitas Descalzas), conjuntos y edificios administrativos (Centro de Datos del Instituto Geográfico Nacional), la vivienda, el urbanismo, los centros asistenciales y hospitalarios o el equipamiento industrial, tecnológico y comercial.
Entre algunas de sus diversas publicaciones y libros figuran El diseño entre la teoría y la praxis (1971), Domus Aurea. Diálogos en la casa de Virgilio (1997), De varia restauratione: intervenciones en el patrimonio arquitectónico (1999), Espacios de la norma. Lugares de invención (2000), La ciudad herida (2001), El Escorial, metáfora en piedra (2004) y Las primaveras de Ilión (2010), Libro de Fabricas y visiones recogido del imaginario de un arquitecto fin de siglo 1957-2010 (2011).
De sus innumerables distinciones y reconocimientos pueden destacarse el Premio Nacional de Arquitectura (1963), la beca de la Fundación Juan March (1972), el Premio Nacional de Restauración (1980), el Premio de las Artes de Castilla y León (1989), la Medalla de Oro de la Universidad Internacional Menéndez Pelayo de Santander (2001), la Medalla de Oro del Consejo Superior de Colegios de Arquitectos de España (2002), la Medalla de Oro de la ciudad de Salamanca (2003) y el Premio Nacional de Arquitectura a la trayectoria profesional (2003).
Ha sido Director del Centro de Investigación de Nuevas Formas Expresivas (1978), Arquitecto honorario por el Colegio de Arquitectos de Bogotá, Colombia (1979), Presidente del Patronato del Museo Nacional de Arte Contemporáneo de Madrid (1983) y Director del Instituto de Conservación y Restauración de Bienes Culturales (1986). Profesor invitado por diversas Universidades de Europa y América Latina.
Doctor Honoris Causa por la Universidad de Valladolid (1993), Profesor emérito de la Universidad Politécnica de Madrid (1998), Doctor Honoris Causa por la Universidad de Alcalá de Henares (2002) y Doctor Honoris Causa por la Universidad Politécnica de Cartagena (2007).
Es Académico de la Real de Bellas Artes de San Fernando desde 1987 y en el año 2005 ingresó en la Real Academia Española, en la que ocupa la silla o.