Сын синолога Василия Павловича Васильева и его жены Софьи Ивановны урождённой Симоновой (1832—1868), дочери ректора Казанского университета И. М. Симонова: 273.Окончил 5-ю Санкт-Петербургскую гимназию и курс физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета, получил золотую медаль за сочинение «Теория отделения корней» .
В 1874 году защитил pro venia legendi диссертацию «Об отделении корней совокупных уравнений» и затем стал приват-доцентом Казанского университета, где с 1887 года состоял ординарным профессором. Слушал в Берлине лекции Карла Вейерштрасса и Леопольда Кронекера, в Париже — Шарля Эрмита.Долго принимал деятельное участие в земской жизни Казанской губернии и Свияжского уезда, в частности содействовал развитию народной школы. Был депутатом Государственной думы I созыва, был выбран членом Государственного совета от Академии наук и университетов; выступал преимущественно по вопросам финансовым и народного образования, один из видных членов партии конституционных демократов, входил в её центральный комитет.Васильев был одним из основателей физико-математической секции Общества естествоиспытателей при Императорском казанском университете. При его председательстве в 1890 году секция была преобразована в Казанское физико-математическое общество.
С 1890-х годов Васильев широко пропагандировал идеи Н. И. Лобачевского в области геометрии, принял участие в организации торжественного празднования 100-летия Лобачевского в Казани и издании «Полного собрания сочинений по геометрии» Н. И. Лобачевского (1883—1886) и опубликовал ряд статей о Лобачевском, в частности его биографию (1914).
С 1913 по 1915 год, под его редакцией выходил сборник Новыя идеи въ математик.
В 1906 году в связи с избранием в Государственный Совет А. В. Васильев переехал в Петербург. Преподавал в университете, на Бестужевских курсах и в педагогическом институте.
В 1921 году по его инициативе было воссоздано Петроградское математическое общество, председателем которого он был до своего переезда в Москву в 1923 году.
В эти годы ему удалось издать ряд работ в том числе — новую расширенную книгу о Лобачевском.
В 1927 году книга была отпечатана, однако тираж пролежал без движения на складе Госиздата два года и в 1929 г. был уничтожен.Возможно, эта судьба книги объясняется отношением к Васильеву как к «буржуазному» учёному.Тем не менее, несмотря на уничтожение тиража, рукопись или отдельные экземпляры были известны историкам математики и упоминались в последующих работах. А в начале 1990-х был найден экземпляр вёрстки и в 1992 году книга была издана повторно..Скончался в Москве 6 октября 1929 года в Москве.