Alessandro Ludovisi nacque a Bologna da Pompeo Ludovisi e Camilla Bianchini, ottavo figlio e terzo maschio della coppia. Suo nonno era il duca di Samoggia. Suo fratello fu Orazio, da lui creato I duca di Fiano.
Dal 1569 al 1571 il Ludovisi studiò filosofia e teologia al Collegio dei Gesuiti di Roma.
Successivamente studiò diritto al Collegio Germanico e si addottorò in utroque iure nell'ateneo di Bologna il 4 luglio 1575. Pochi giorni dopo il completamento degli studi, il 23 giugno era già a Roma.

Dopo aver ricevuto gli ordini sacri, iniziò una rapida ascesa negli incarichi più delicati all'interno della Curia romana. Nel 1597 fu nominato Arcivescovo vicegerente della diocesi di Roma.

Nel 1612 divenne arcivescovo di Bologna e si trasferì nel capoluogo emiliano.
Fu consacrato il 1º maggio nella chiesa di Sant'Andrea al Quirinale dal cardinale Scipione Caffarelli-Borghese, co-consacranti Fabio Biondi, patriarca titolare di Gerusalemme e Volpiano Volpi, arcivescovo di Chieti.

Come arcivescovo di Bologna, nel 1616 fu nominato nunzio straordinario in Savoia per dirimere la controversia sul Monferrato tra il Duca di Savoia Carlo Emanuele e il re di Spagna Filippo III.

Nel concistoro del 19 settembre 1616 papa Paolo V lo nominò cardinale e il 3 dicembre 1618 ricevette il titolo di Santa Maria in Traspontina.

Papa Gregorio XV morì l'8 luglio 1623 nel Palazzo del Quirinale a Roma e fu sepolto nella Basilica Vaticana.

Il 13 giugno 1634 le sue spoglie sono state traslate nella cappella dell'Annunziata del Collegio Romano; infine è stato sepolto nella chiesa di Sant'Ignazio di Loyola, dove riposa tuttora.

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