Младший сын обер-шталмейстера князя Ивана Алексеевича от первого брака с Елизаветой Ивановной урождённой Балабиной; родился в 1801 г.
26 марта 1821 г. выпущен из Пажеского корпуса прапорщиком в 1-ю конно-артиллерийскую роту, 14 декабря 1822 года переведён в 9-ю конно-артиллерийскую роту и с 20 апреля 1823 года служил в гвардейской конной артиллерии. Принимал участие в волнениях 1825 года. Утром 14 декабря он вместе с другими офицерами — А. Г. Вилламовым, И. П. Коновницыным, К. Д. Лукиным и А. В. Малиновским — попытался сорвать присягу великому князю Николаю Павловичу в гвардейской части, а также дал согласие на участие в заговоре и военном выступлении. В тот же день они были арестованы и содержались в казармах 1-й артиллерийской бригады. Однако 16 декабря князь Гагарин был прощён Николаем I и более к следствию по делу декабристов не привлекался.
24 мая 1825 года произведён в поручики и 16 января 1830 года был уволен в отставку.
Поступив затем снова на службу, он в чине ротмистра лейб-гвардии Гродненского гусарского полка был взят Новороссийским генерал-губернатором графом М. С. Воронцовым в адъютанты и в 1845 г., при назначении последнего Кавказским наместником, переехал с ним из Одессы в Тифлис. Участвуя в экспедициях против горцев, в том числе и крайне неудачной Даргинской в 1845 году, Гагарин показал личную храбрость и распорядительность, а при выполнении возлагаемых на него поручений по гражданской части действовал настолько умело, что в конце 40-х годов был назначен Дербентским градоначальником, а затем Кутаисским военным губернатором.
Он сделал много полезного для Кутаиса и губерний. Будучи большим любителем садоводства, Гагарин употреблял все усилия, чтобы приохотить к нему туземцев: устроил в Кутаисе бульвар, городской сад и ферму, выписал редкие деревья, на ферме завел лучшие сорта винограда и давал отсадки (так распространил он сорт винограда «Изабелла»). Он построил в Кутаисе здание гимназии и два моста через Риони и начал постройку здания присутственных мест.
26 ноября 1850 года Гагарин за беспорочную выслугу 25 лет в офицерских чинах был награждён орденом св. Георгия 4-й степени (№ 8347 по кавалерскому списку Григоровича—Степанова).
Когда началась в 1853 г. Восточная война, Гагарин был назначен начальником Гурийского отряда и имел несколько удачных стычек с турками, а затем получил в командование 13-ю пехотную дивизию. Под Карсом при неудачном штурме 17 сентября 1856 г. он был тяжело ранен в левое плечо и в бессознательном состоянии вынесен с поля боя.
Принужденный уехать лечиться за границу, Гагарин прожил год в Париже и на водах. В 1856 г. он возвратился в Россию и намеревался поселиться в своем крымском имении Кучук-Ламбат, но кавказский наместник князь А. И. Барятинский предложил ему пост Кутаисского генерал-губернатора, который он и принял. В феврале 1857 года Гагарин прибыл в Кутаис. В Кутаисской губернии стоял в это время на очереди вопрос о введении русского управления в княжествах Мингрельском и Сванетском.
В Мингрелии удаление владетельной княгини в Санкт-Петербург совершилось мирным путем, но в Сванетии произошли столкновения владетельных князей Дадешкилианов с русской администрацией, результатом которых было покушение одного из них, князя Константина, на жизнь Гагарина. 22 октября 1857 г. Гагарин был смертельно ранен и 27 октября скончался.
Гагарин был женат дважды: на Марии Андреевне урожденной Бороздиной (первым браком за декабристом И. В. Поджио), и на княжне Анастасии Давидовне Орбелиани (1825 — ?), но потомства не оставил.
М. Я. Ольшевский, лично знавший А. И. Гагарина, в своих воспоминаниях дал ему следующую характеристику: «Он был добр, обходителен и вежлив. Не знаю, каким он был администратором и губернатором, но в начальники отряда не годился, как по мягкости характера, так и по слабости здоровья. Будучи мало сведущ в военной администрации, князь Гагарин по необходимости вверялся таким людям, которые не заслуживали его доверия, а по мягкости характера не мог останавливать их в злоупотреблениях и направить на истинный путь их вредные действия». Также мягкость характера Гагарина отмечает в своём описании дел в Мингрелии и Сванетии и К. А. Бороздин.
