Из дворянской семьи. С 1894 учился на физико-математическом факультете Московского университета. Будучи настроен революционно, в 1899 вынужден уехать в Германию. Учился во Фрейбургском университете под руководством А. Вейссмана. Доктор философии (1900). Специалист по паукообразным (арахнолог). Приват-доцент Фрейбургского университета (1902—03), читал лекции по цитологии и паразитологии. С ноября 1903 жил в США. До 1910 независимый исследователь, имел частную лабораторию в Нью-Джерси. Приглашенный профессор университета штата Индиана в Блумингтоне (1905—06). Куратор Музея естественной истории в Нью-Йорке (1909—11). В 1910—17 ассистент-профессор, в 1917—44 профессор зоологии Йельского университета. Основатель и президент Федерации русских организаций в США. Член-учредитель Русской академической группы в США (1923). Приглашенный профессор университета Пуэрто-Рико (1925—26). Экспедиции по сбору пауков и насекомых проводил главным образом в Центральной Америке. Президент Академии искусства и наук Коннектикута (1932—46). С 1944 находился в отставке, продолжал научную деятельность в университетской лаборатории. Член Национальной академии наук США (1954). Переводчик английской и русской поэзии. Автор свыше 100 научных работ. Друг семьи Вернадских, в 50-ые жил в Нью-Хэйвене с ними на одной улице.

После кончины кремирован; прах развеян.

Отец: Иван Ильич (1843—1928), общественный и политический деятель, кадет,  председатель ЦК конституционно-демократической партии. Мать: Анна (ур. Кандыба). Брат: Михаил (1867—1943), управляющий имением графини С.В. Паниной в Гаспре. Жена: Ванда Хартшорн.

Библ.: Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences. 1945. July. Vol. 36. P. 16—24.

Соч.: Gedanken über Vererbung. Freiburg, 1904; The Freedom of the Will. Newark, 1907; Keys to Orders and Families of Birds Found in the United States. New Haven, 1914 (?); Morphology of Invertebrate Types. New York, 1916.

Лит.: Ковалевский П.Е. Наши достижения. Роль русской эмиграции в мировой науке. Вып. 1. Мюнхен, 1960. С. 20; Ковалевский П.Е. Зарубежная Россия: История и культурно-просветительная работа русского зарубежья за полвека (1920—1970). Париж, 1971. С. 139; Вернадский В.И. Дневники. 1917—1921 / Сост. М.Ю.Сорокина и др. Т. 1—2. Киев: Наукова думка, 1994, 1997; Александров Е.А. Русские в Северной Америке. Биографический словарь. Хэмден, Сан-Франциско, СПб., 2005. С. 395—396; Ульянкина Т.И. «В целях сохранения национальной русской науки» (история Русской академической группы в США) // Вопросы истории естествознания и техники. 2006. № 1. С. 102; Сорокина М.Ю. Российское научное зарубежье: Материалы для биобиблиографического словаря. Пилотный вып. 6: Естественные науки. XIX — первая половина ХХ в. М., 2011. С. 246—247; Трибунский П.А. Письма И.И. Петрункевича А.И. Петрункевичу как источник по истории либерализма в России в конце XIX — начале XX вв. // Мыслящие миры российского либерализма: графиня Софья Владимировна Панина (1871-1956). М.,  2012; Hutchinson E.G. Alexander Petrunkevitch // Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences. 1945. Vol. 36. P. 10—15; Kinkead E. Spider, Egg, and Microcosm. New York, 1955. P. 3—67; National Academy of Sciences: Biographical Memoirs. 1991. Vol. 60. P. 239—249.

Некр.: Незабытые могилы. Российское зарубежье: Некрологи 1917—1997: В 6 т. / Сост. В.Н. Чуваков. М., 2004. Т. 5. С. 437—438.