Alois Grillmeier wurde am 1. Januar 1910 in Pechbrunn in der Oberpfalz geboren. Seine Eltern waren Landwirte. Er wuchs zusammen mit vier Brüdern und drei Schwestern auf. Sein etwas jüngerer Bruder Johannes wurde drei Jahre nach Alois auch Jesuit. Die höhere Schule besuchte Alois in Regensburg.
Nach dem Abitur trat er am 11. April 1929 in das Noviziat der Gesellschaft Jesu in Tisis (Vorarlberg) ein. Nach seinen Studien der Philosophie in Pullach bei München und der Theologie in Valkenburg (Niederlande) und in Frankfurt/M., wurde er am 24. Juni 1937 durch Kardinal Michael Faulhaber in München zum Priester geweiht, zusammen mit P. Alfred Delp.
Seine weiteren theologischen Studien gestalteten sich kriegsbedingt schwierig. Mehrmals musste er auf Grund von Vertreibung durch die Nationalsozialisten seinen Wohnsitz wechseln. Schließlich konnte er in Freiburg am 9. Februar 1942 seine Promotion abschließen. Zwei Jahre lang war er Soldat, wurde aber im April 1944 wegen Zugehörigkeit zum Jesuitenorden aus dem Militärdienst entlassen. Im selben Jahr begann er seine theologische Lehrtätigkeit, die ihn über kurze Etappen in Pullach und Büren nach Franfurt Sankt Georgen führte. Diese Hochschule wurde das Zentrum seines überaus fruchtbaren Wirkens bis zu seiner Emeritierung 1978 und weit darüber hinaus.
Während des 2. Vatikanischen Konzils bestellte ihn der Limburger Bischof Wilhelm Kempf zu seinem theologischen Berater. 1963 wurde er Konzilstheologe und arbeitete in einer Kommission mit Karol Wojtyla, dem späteren Papst Johannes Paul II. zusammen.
International bekannt wurde er durch die Mitherausgabe des dreibändigen Werkes 'Das Konzil von Chalkedon' und schließlich - neben vielen anderen Publikationen - durch das mehrbändige Werk 'Jesus Christus im Glauben der Kirche', das in mehrere Sprachen übersetzt wurde und wird. Charakteristisch für dieses Werk ist seine ökumenische Ausrichtung. Es will einen Beitrag leisten zur Überwindung der Kirchenspaltungen der ersten Jahrhunderte. Für sich persönlich empfand er es immer als eine Gnade, an einem solchen Werk arbeiten zu dürfen, kreiste es doch um Jesus Christus, den Mittelpunkt seines Glaubens. Durch diese wissenschaftliche Arbeit war er wie prädestiniert, als Berater in zahlreichen ökumenischen Kommissionen und bei vielen Gesprächen zwischen den Kirchen mitzuwirken.
Ihm wurden mehrere Ehrungen zuteil. 1977 die Ehrendoktorwürde der Universität Mainz und 1990 die der Universität Bamberg. 1993 wurde er zum korrespondierenden Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften gewählt. Den Höhepunkt brachte das Jahr 1994, in dem er am 26. November durch Papst Johannes Paul II. zum Kardinal kreiert wurde. Diese Ehrung traf ihn zu einem Zeitpunkt, da er sich aus der wissenschaftlichen Arbeit schon hatte verabschieden müssen, was ihm nicht leicht fiel. Aufgrund einer Lähmung war er an den Rollstuhl gefesselt. 1994 zog er von Frankfurt nach München in die Krankenabteilung des Berchmanskollegs und drei Jahre später ins Altenheim nach München-Unterhaching. Dort starb er am 13. September 1998.