Alex O'Loughlin est né à Canberra mais a grandi à Sydney. Son père est professeur de physique et sa mère est infirmière. Ils se séparent lorsqu'il a deux ans. Dès l'âge de 10 ans, il fait des allers-retours entre les deux villes.

En 2002, Alex O'Loughlin sort diplômé de l'Institut national d'art dramatique de Sydney et commence sa carrière au théâtre, en jouant dans des pièces de Tchekhov et Tols...