Родился в Москве, до 13 лет жил на Автозаводской улице. Учился в английской спецшколе № 15[5].
Окончил филологический факультет Московского государственного университета (1985). Защитил кандидатскую диссертацию «Апокалиптические мотивы в русской прозе конца XX века» (1997) и докторскую диссертацию «Жизнь как творчество в дневнике и художественной прозе М. М. Пришвина» (2003). Профессор кафедры истории новейшей русской литературы и современного литературного процесса МГУ, преподаёт русскую литературу начала XX века и одновременно ведёт творческий семинар в Литературном институте имени А. М. Горького.
Дебютировал как прозаик рассказом «Тараканы» в журнале «Октябрь» (1987, № 12). Первая книга «Дом в Остожье» вышла в 1990 году. Известность автору принесли роман «Лох» (журнал «Октябрь», 1995) и повесть «Рождение» (журнал «Новый мир», 1995), которая победила в конкурсе «Антибукер». Его книга «Затонувший ковчег», по А. А. Тахо-Годи — «о том, как мир умирает и сам не замечает этого»[6].
Роман «Одиннадцатое сентября» вызвал неоднозначные оценки критики (он вышел в журнале «Москва» в 2003 году). В 2014 году увидел свет роман «Мысленный волк» (время действия — 1914—1918 годы), который автор назвал «личной попыткой высказаться о Серебряном веке».
«за тонкое исслеживание в художественной прозе силы и хрупкости человеческой души, её судьбы в современном мире; за осмысление путей русской литературы XX века в жанре писательских биографий».
2007 — Национальная литературная премия «Большая книга» (вторая премия за документальный роман «Алексей Толстой»).
2018 — Премия Губернатора Кировской области в номинации «Премия имени Александра Степановича Грина», за книгу «Александр Грин» из серии «Жизнь замечательных людей»[7].
2020 — Благодарность Президента Российской Федерации (20 ноября 2020 года) — за вклад в организацию и проведение мероприятий по увековечению памяти и празднованию 100-летия со дня рождения Д. А. Гранина[8].
2022 — Второе место премии «Большая книга» за произведение «Имя Розанова»[9]
2024 — Лауреат второго сезона Всероссийской литературной премии «Гипертекст» имени Александра Чаковского в номинации «Проза» за роман «Одсун»[10].
Варламов А. Н.Михаил Булгаков.— 4-е изд., испр. и доп.— М.: Молодая гвардия, 2020.—842 с.: 6 ил.— (Жизнь замечательных людей: сер. биогр.; вып. 1841).— ISBN 978-5-235-04383-1.
Варламов А. Н.Розанов.— М.: Молодая гвардия, 2022.— 501[11]с.— (Жизнь замечательных людей).
Яблоков Е. А.Писал и боялся закончить.— 16 марта 2011. (в критической рецензии на книгу Варламова «Андрей Платонов» указывается на множество речевых, стилистических и содержательных ошибок, допущенных автором)