Ранні роки. Олександр Олександрович Богомолець був другою дитиною в сім'ї лікарів і революціонерів — земського лікаря Олександра Михайловича Богомольця (1850–1935) і його

Олександр Олександрович Богомолець був другою дитиною в сім'ї лікарів і революціонерів — земського лікаря Олександра Михайловича Богомольця (1850–1935) і його дружини Софії Миколаївни Богомолець (1856–1892) з дому Присецьких гербу «Новина». Старший брат — Микола — помер у дитинстві.

Олександр Богомолець-молодший народився в Лук'янівській в'язниці Києва, де під слідством перебувала його мати, Софія Миколаївна Богомолець, у справі радикальної народницької організації лівого спрямування «Південно-російський робітничий союз». Невдовзі після пологів був забраний від матері і відданий на виховання до маєтку Климове свого дідуся — Миколи Максимовича Присецького. Софія отримала вирок — десять років каторги в Забайкаллі. Малий Сашко зміг побачити матір тільки через десять років, коли Олександру Михайловичу Богомольцю нарешті були дозволені побачення з Софією. На той момент вона була вже безнадійно хвора на сухоти.

Після повернення з Забайкалля деякий час живе з батьком у Ніжині. Протягом року навчався у чоловічій гімназії при Історико-філологічному інституті князя Безбородька (раніше — Гімназія вищих наук, зараз — Ніжинський державний педуніверситет ім. Гоголя). До цього початкову освіту отримував удома. За успіхи у навчанні Саша Богомолець був нагороджений похвальним листом і книгою І.Тургенєва «Записки мисливця».

З дитинства захоплювався читанням.

У 1895 році батько і син Богомольці переїхали до Кишинева, де жили у рідного брата Олександра Михайловича — Михайла Михайловича Богомольця. Сашко продовжив навчання в Кишиневській гімназії, але на передостанньому році був відрахований з офіційним формулюванням «за небезпечний напрямок думок». З великим трудом його влаштували до 1-ї Київської чоловічої гімназії, яку юнак закінчив із золотою медаллю.

Репутацію «неблагонадійного» він підтвердив і в Київському університеті ім. Св. Володимира, куди поступив у 1900 році. Навчався спочатку на юридичному, збираючись стати адвокатом-криміналістом, а потім на медичному факультеті. Там Олександр брав участь у русі за права студентів. Не бачачи можливості продовжувати навчання в Києві і, очевидно, не бажаючи підставляти під удар батька, за яким зберігався поліційний нагляд, Олександр Богомолець перевівся на медичний факультет Новоросійського університету в Одесу.

Першу наукову роботу опублікував на другому курсі університету — «До питання про будову і мікрофізіологію бруннерових залоз» (1902). На кінець навчання Олександра Богомольця в Одеському університеті в його послужному списку нараховувалося п'ять наукових робіт.

Олександр Богомолець, 26 років — після закінчення одеського Новоросійського університету. 1907 рік

Під час навчання, а також після закінчення університету (1907) працював при кафедрі загальної патології під керівництвом передових вчених того часу В. В. Підвисоцького, О. Ф. Маньківського, Л. О. Тарасевича, М. Г. Ушинського і В. В. Вороніна.

В 1909 році під керівництвом професора Володимира Вороніна захистив у Імператорській військово-медичній академії (Петербург) докторську дисертацію «До питання про мікроскопічну будову і фізіологічне значення надниркових залоз у здоровому і хворому організмі». Одним з опонентів при захисті був відомий російський фізіолог академік І. П. Павлов, який дав високу оцінку роботі молодого ученого. Олександр Олександрович Богомолець став наймолодшим у Російській імперії доктором медицини — на момент захисту докторантури йому було 28 років.

Того ж року Олександр Богомолець був обраний приват-доцентом кафедри загальної патології медичного факультету Новоросійського університету (Одеса).

Невдовзі після захисту він одружився з Ольгою Георгіївною Тихоцькою (1891–1956) гербу «Наленч». У подружжя народився син Олег (1911–1991).

1911 року був відряджений на стажування в Париж на кафедру фізіології в Сорбонні для отримання професорського звання. Після повернення (того ж року) призначений екстраординарним професором кафедри загальної патології і бактеріології медичного факультету Саратовського університету.