Alexandre Henri Georges Dauvillier est né en 1892 à Saint-Lubin-des-Joncherets (Eure-et-Loir) où son père est percepteur des contributions directes. Après des études secondaires au Lycée Saint-Louis de Paris, il suit les cours de la Faculté des sciences et entre à l'Institut de Chimie. Il obtient une licence de physique en 1914. Pendant la guerre, il sert comme opérateur d'un poste radiologique du Service de Santé. En 1919, il entre au laboratoire de physique des rayons X de Maurice de Broglie et obtient son doctorat en 1920. En 1930, il se réoriente vers la physique cosmique. En 1935, il crée un laboratoire à l'Observatoire de Meudon où il étudie les rayons cosmiques et le ciel nocturne. Lors de la débâcle de 1940, il se replie sur la station du Pic du Midi à Bagnères-de-Bigorre où il poursuit ses travaux de physique cosmique jusqu'à sa mort en 1979.

Pendant sa carrière, ce scientifique cumule des fonctions de chercheur et d'enseignant. Il est nommé maître de recherches au CNRS en 1931, puis directeur de recherches en 1942. En parallèle, il est chargé de cours à l'École Supérieure d'Électricité à partir de 1925 et chargé de conférences à la Faculté de Médecine de Paris de 1925 à 1940. En 1944 il est nommé professeur au Collège de France, à la chaire de physique cosmique nouvellement créée.

Plusieurs candidatures à des fonctions importantes échouent, dont la direction de l'Institut de Physique du Globe de Paris en 1941 et celle de l'Observatoire du Pic du Midi en 1947. Il ne parvient pas non plus à être élu membre de l'Académie des Sciences.

Il reçoit de nombreuses distinctions, dont 9 prix de sociétés savantes entre 1921 et 1950. Il est élu correspondant de l'Académie des Sciences en 1947.

De tempérament solitaire, Dauvillier ne se confie pas et ses collègues savent peu de choses de sa vie privée. Une note dans ses carnets porte la remarque suivante : "lorsque je me trouve mêlé à un groupe d'hommes de la rue, je me sens plus étranger, parmi ces compatriotes, que dans un groupe d'eskimos. Nous regardons le même spectacle, mais nous ne voyons pas les mêmes choses."

Après sa mise à la retraite en 1963, Dauvillier poursuit ses travaux de recherche et publie 87 articles ou livres pendant cette période. Toutefois, son isolement l'éloigne des courants de recherche contemporains, il reste sur les acquis scientifiques de la première moitié du siècle, et ses articles sont moins facilement acceptés par les revues scientifiques. Par exemple, son affirmation que la Lune n'a jamais reçu d'impacts météoritiques va à l'encontre du fait solidement établi que tous les cratères lunaires sont le résultat d'un bombardement météoritique et cométaire.  Ces difficultés le forcent à publier dans des revues de rang secondaire.

Dauvillier ne peut imaginer "une vie vide et stérile sans moyens de travail", et menace de se suicider lorsqu'il est question de reprendre son bureau en 1976.

Homme de passions, Dauvillier aime la nature, en particulier la montagne où il fait de nombreuses randonnées et escalades, et l'île d'Ouessant où il séjourne presque tous les étés. Ces lieux lui inspirent quelques poèmes, dont "la coupe de marbre blanc", qui est en quelque sorte son testament.  Après sa mort, ses collègues répandent ses cendres sur un cime des Pyrénées, suivant le voeu exprimé dans son poème.