Родился 13 ноября 1839 г. в Киеве. Воспитывался в Киевском и Константиновском кадетских корпусах, в 1859 г. поступил прапорщиком в лейб-гвардии Конный гренадерский полк Петербургского военного округа.
Окончил Михайловскую артиллерийскую академию в 1862 г., служил в штабе отдельного Гвардейского корпуса. В 1866 г. окончил геодезическое отделение Николаевской академии Генерального штаба, с зачислением в разряд геодезистов КВТ.
В 1866–1868 гг. состоял в распоряжении Командующего войсками Оренбургского военного округа, занимался вопросами геодезии, картографии, астрономии. Выполнял гипсометрические и метеорологические наблюдения, интересовался земным магнетизмом и гидрологией. Принимал участие в определении с использованием телеграфа разностей долгот пунктов градусного измерения по дуге параллели 52-го градуса северной широты.
С 1868 по 1871 г. начальник Оренбургского военно-топографического отдела. Проводимые под его руководством и при личном участии астрономические наблюдения и съёмки дали материал для составления карт Оренбургского края и Аральского моря.
Далее проходил службу на строевых должностях в войсках. С 1871 г. – командир батальона лейб-гвардии Преображенского полка, с 1872 г. – командир 148-го пехотного Каспийского полка Петербургского военного округа. Не оставлял научной работы. В 1873 г. разработал проект Арало‑Каспийской экспедиции для производства точной нивелировки между Аральским и Каспийским морями, осуществлённой под его руководством в 1874 г. Удостоен малых золотых медалей Русского географического общества: «За сочинение «Земной магнетизм Оренбургского края» (1872); «За нивелировку между Аральским и Каспийскими морями» (1877). С 1875 г. по 1877 г. по его предложению Русским географическим обществом была произведена большая нивелировка в Сибири.
В 1879–1883 гг. сопровождал герцога Мекленбург-Штрелицкого за границу для слушания лекций в Страсбургском и Лейпцигском университетах. Вместе с ним окончил Лейпцигский университет.
В 1883–1894 гг. – начальник штаба 1-го армейского корпуса. Составленная и изданная им в 1889 г. известная гипсометрическая карта Европейской России (60 вёрст в дюйме) позволила устранить неправильное представление о рельефе европейской части России. К 1896 г. составил и издал гипсометрическую карту Европейской России с пограничными территориями Австро-Венгрии и Румынии. В 1892 г. избран член-корреспондентом Петербургской Академии наук. Почётный член Берлинского географического общества, член-корреспондент Парижской академии наук. Доктор физической географии и почётный член института инженеров путей сообщения.
В 1894–1899 гг. – командир 37-й пехотной дивизии Петербургского военного округа. С 1895 г. – почётный член Михайловской артиллерийской академии.
Среди многочисленных метеорологических работ большое значение имеет его труд «Распределение атмосферного давления на пространстве Российской империи и Азиатского материка на основании наблюдений с 1836–1885 гг.» (С.-Пб, 1890). А.А. Тилло был инициатором периодического издания «Метеорологического вестника» (с 1891 г.). Интересны его работы по наблюдению земного магнетизма. Он составил и издал магнитные карты (1881, 1884 и 1885 гг.) и атлас вековых изменений земного магнетизма (1895), разработал проект магнитной съёмки России, был членом редакционного комитета международного журнала «Terrestrial Magnetism». По его инициативе при Русском географическом обществе была создана магнитная комиссия. Значительный интерес представляют его работы по гидрологии. Организованные А.А. Тилло экспедиции (1894–1899 гг.) дали ценный материал по изучению речных бассейнов Европейской России.
Член Русского географического общества (с 1875 г.), где с 1889 г. по 1897 г. был председателем отделения математической географии, а затем – помощником председателя общества. Член-учредитель Русского астрономического общества (с 1891 г.).
Его фамилия выбита на медали «В память 50-летия КВТ» как оказавшего особенные заслуги Корпусу военных топографов. В 1910 г. в Русском географическом обществе была учреждена премия имени А.А. Тилло (по математической и физической географии). Его именем названы: мыс и острова в Карском море, острова в Баренцевом море и Земли Франца-Иосифа.
Скончался 30 декабря 1899 г. в Санкт-Петербурге.
Генерал-лейтенант (1894).
© Е.И. Долгов, С.В. Сергеев
Отв. редактор — В.А. Вишняков