Алексей Завьялов родился 17 декабря 1974 года в Волгограде.
В 1996 году окончил Театральное училище имени Б. В. Щукина (курс Ю. В. Шлыкова).
Дебютировал в кино на 4-м курсе в фильме Р. Шибеко «Играем „Маленького принца“». Играл в фильмах и сериалах, чаще всего зритель видел Алексея в амплуа героя-любовника.
Не является родственником знаменитой советской актрисы Александры Завьяловой, сыгравшей в фильме "Тени исчезают в полдень".
В 1996 году был принят в труппу Театра имени Вахтангова.
Сотрудничал c театрами «Et Cetera» под руководством A. А. Калягина, «Театральное товарищество 814» и «Практика».
В кино наибольшую известность приобрёл после съемок в сериале "Ментовские войны" на НТВ.
7 августа 2011 года актёр получил серьёзные травмы в результате несчастного случая при прыжке с парашютом. 30 сентября 2011 года скончался в больнице в Москве. Похоронен на Хованском кладбище.
Алексей Завьялов был женат на Марии Масловой. У них двое сыновей: Александр (р. 2001) и Степан (р. 2005).