Hijo de Fernando IV de Castilla y de Constanza de Portugal y nieto de María de Molina, que ejerció la regencia durante su minoría de edad. Subió Alfonso al trono de Castilla y de León cuando tenía un año de edad. La mayoría de edad la alcanzó con 15 años, en 1325.

Nada más asumir el poder regio comenzó un trabajo laborioso en pro del fortalecimiento del poder real dividiendo a sus enemigos. Mostró así, desde la tierna infancia sus magníficas dotes de gobernante, no dudando en ejecutar a posibles opositores (Juan de Haro «el Tuerto» (1326), etc).

Durante su reinado consiguió llevar los límites cristianos hasta el Estrecho de Gibraltar tras la importante victoria en la batalla del Salado contra los Benimerines, en 1340 y la conquista del Reino de Algeciras en 1344. Una vez resuelto dicho conflicto puso todos sus esfuerzos de Reconquista luchando contra el rey moro de Granada.

En 1331, Alfonso de la Cerda rindió un homenaje a Alfonso para dejar zanjadas sus pretensiones al trono castellano y leonés. En 1332 supo apagar, con la ayuda de sus súbditos, la revuelta que contra él hicieron Juan Manuel y Alfonso IV de Portugal. Dichos acontecimientos le hicieron descuidar la Reconquista, perdiendo Gibraltar.

Tanto Alfonso, como Abul-Hasán mandaron un importante contingente naval al estrecho, ya que sabían perfectamente la importancia de dicho punto geográfico en sus pretensiones de conquista. Alfonso obtuvo la ayuda de los aragoneses y, el musulmán, de los genoveses. Tras la derrota de la escuadra castellana, al mando de Alonso Jofre Tenorio en 1340 obtuvieron una serie de victorias: primero en la Batalla del Salado el mismo año. A finales de ese año cercó Alcalá la Real, que consiguió tomar el 15 de agosto de 1341, sin que Yusuf I, ni su visir Ridwan consiguieran aprovisionarla ni romper el cerco. El general de los «defensores de la fe» africanos, Ozmín, intentó llevar a las tropas cristianas a una trampa, pero el maestre de Santiago no cayó en ella y el 15 de agosto de 1341 Alcalá tuvo que rendirse. Días después lo harían Priego, Carcabuey, Rute y la torre Matrera. Los expulsados de Alcalá fueron asentados en Moclín para que mantuviesen su deseo de revancha. Luego vino la batalla del río Palmones y finalmente la toma de Algeciras en 1344 tras un largo sitio.

Al comienzo de la Guerra de los Cien años, Alfonso se alió con Francia y consiguió firmar una tregua con los musulmanes de Granada. Una vez terminada dicha tregua, puso sitio a Gibraltar.

Se le apodó el Justiciero por la energía que tuvo que ejercer para mantener controlada a la nobleza ya desde que se hizo cargo del poder, no importándole en muchos casos para conseguir ese sometimiento recurrir al ajusticiamiento de los nobles o incluso a los asesinatos y emboscadas, como ocurrió con don Juan de Haro el Tuerto, en la Ciudad de Toro.

También se sabe que entre sus aficiones se encontraba la caza, teniendo como lugar habitual para ir de caza el pueblo de Valporquero en León, junto a sus cuevas. Durante su reinado se escribió el llamado Libro de la Montería de Alfonso XI, pues su autoría es debatida.

A Alfonso XI se le atribuye una cantiga de amor dirigida a Leonor de Guzmán.