Родился в Свердловске. В 1959 году окончил ГИТИС. В том же году был приглашен в Московский академический театр имени Владимира Маяковского. Спустя 3 года переехал в Ленинград, на киностудию «Ленфильм».

Сниматься в кино Александр Демьяненко начал еще в студенческие годы. Его первая же роль (в фильме «Ветер») привлекла внимание зрителей и кинематографистов. В начале 1960-х актер снялся в картинах «Порожний рейс», «Государственный преступник», «Угрюм-река». Настоящую популярность Демьяненко принесли работы в картинах Леонида Гайдая «Операция Ы и другие приключения Шурика», «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика», комедия «Иван Васильевич меняет профессию».

Александр Сергеевич много работал в театре, играл моноспектакли, снимался на телевидении, озвучивал мультфильмы, был одним из ведущих актёров дубляжа.

С 1984 года до последних дней был артистом петербургского Театра комедии имени Н. П. Акимова, в 1990-х - театра «Приют комедианта».

Соколова, Л. А. Легенды экрана: звезды, которые не гаснут. - Ростов-на-Дону : Феникс, 2012. - 218 с. - (Аллея звезд).