Nacque a Bologna l'11 settembre 1522. Dopo i primi studi di matematica, passò a Brescia e poi a Roma, prima di intraprendere un lungo pellegrinaggio verso Santiago de Compostela. Si stabilì di nuovo a Bologna nel 1539 dedicandosi allo studio delle lettere e della giurisprudenza. Nel 1546 si recò a Padova per seguire i corsi di matematiche dello Studio e le lezioni di medicina di Giovanni Battista Montano. Nel 1549 fece ritorno a Bologna, dove venne arrestato come sospetto d'eresia e il 1° settembre dello stesso anno fu costretto a una pubblica abiura nella cattedrale di San Petronio.
Durante la fase inquisitoriale ad Aldrovandi fu imposto l'obbligo di risiedere a Roma, dove attese agli studi archeologici, stringendo amicizia con Guillaume Rondelet, celebre naturalista ed estensore di trattati enciclopedici sulla fauna marina. Influenzato dagli interessi del naturalista francese, iniziò a raccogliere il primo nucleo del proprio personale museo naturale, mettendo assieme una collezione di pesci. Tornato a Bologna, nel 1549 conobbe il lettore semplicista Luca Ghini e da questi venne introdotto alla conoscenza delle piante. Il 23 settembre 1553 conseguì la laurea in filosofia e medicina presso lo Studio e venne ammesso nel Collegio medico cittadino. Subito dopo ottenne la lettura di logica, quindi di filosofia ed infine de semplicibus, che mantenne fino al 1600.
Nominato nel 1568 direttore dell'Orto botanico bolognese da lui istituito, Aldrovandi raccolse un importante museo ricco di piante, animali e minerali, che costituì il primo tentativo di conservare e presentare all'osservazione degli scienziati e del pubblico i prodotti della natura. Durante il 1574, in qualità di Protomedico del Collegio, entrò in contrasto con il potente gruppo degli speziali incaricato dalle pubbliche autorità della preparazione della teriaca, e per questo dovette recarsi a Roma per difendere la propria causa di fronte al pontefice Gregorio XIII. Nel corso degli anni visitò molte località di interesse naturalistico, tenendo anche un fittissimo carteggio con i maggiori scienziati del proprio tempo.
Nel 1600 Aldrovandi ottenne la dispensa dall'insegnamento, iniziando a dedicarsi alla stesura delle moltissime opere che nel frattempo aveva compilato. Morì a Bologna il 4 maggio 1605, lasciando alla città una vasta raccolta di preparati mineralogici, zoologici, etnografici, un grande erbario e numerosi manoscritti e disegni (il tutto oggi riunito nel salone della Biblioteca Universitaria della città che costituisce il cosiddetto Museo Aldrovandiano). Durante la sua laboriosa attività egli concepì e solo parzialmente mise a punto la stesura di una completa enciclopedia naturale, lavorando in collaborazione con numerosi scrivani, disegnatori e incisori che aveva preso al proprio servizio.
Tra il 1599 e il 1603 apparvero i dodici libri della Ornithologia e nel 1602 i sette denominati De animalibus insectis. Postumi, invece, nel 1606 vennero stampati i quattro libri De reliquis animalibus exanguibus. Nella lettura universitaria e nella prefettura dell'Orto botanico bolognese ad Aldrovandi successero gli allievi Cornelio Uterverio e Bartolomeo Ambrosino. Il primo fu l'editore dei sei libri De piscibus et de cetis (1613), dei due libri De quadrupedibus solidipedibus volumen integrum (1616) e della Quadrupedum omnium bisulcorum Historia (1621). Il secondo pubblicò i tre libri De quadrupedis digitatis viviparis, i due libri De quadrupedis digitatis oviparis (1637), i due libri delle Serpentum draconum Historiae (1639) e il Museum metallicum (1648), mentre nel 1665 Ovidio Montalbani fece stampare la Dendrologia.
Durante il corso dei propri studi Aldrovandi praticò in modo intensivo la dissezione anatomica, riuscendo a descrivere molte parti di animali che poi riprodusse in alcune xilografie ormai divenute celeberrime. Vide l'ostio dell'ovidutto della gallina e anticipò il concittadino Marcello Malpighi nello studio delle ghiandole del baco della seta. Adottò una classificazione degli animali e delle piante basata su criteri eterogenei come l'ambiente naturale, il tipo di nutrimento e i caratteri morfologici di parti anatomiche speciali. Credette all'esistenza di mostri e animali fantastici e compilò, sebbene in buona parte rivista dagli allievi, una Monstruorum historia che vide la luce nel 1642, e uno studio intitolato Pomarum Curiosum, stampato nello stesso anno. Lasciò due notevolissime opere tassonomiche, la Syntaxis plantarum e la Syntaxis plantarum et animalium, che contengono più di millesettecento tavole sinottiche e costituiscono l'opera naturalistica di maggior pregio dell'intera produzione aldrovandiana. U
na particolare menzione merita l'erbario di piante essiccate e agglutinate disteso in sedici ponderosi volumi, che nel loro insieme rappresentano una delle più imponenti raccolte di flora bolognese ed emiliana di tutto il Cinque-Seicento.
Forse Redi ebbe l'occasione di visitare il Museo naturalistico di Aldrovandi, in occasione del suo passaggio da Bologna, dal momento che nelle Osservazioni intorno agli animali viventi che si trovano negli animali viventi del 1684 ricordava che vi si conservava "imbalsamato" un serpente a due teste, simile a quello catturato a Pisa che aveva fornito l'occasione del trattato. Sia nelle Osservazioni intorno alle vipere del 1664 , sia nelle Esperienze intorno a diverse cose naturali, e particolarmente a quelle che ci son portate dall'Indie del 1671 , nonostante gli elogi formali al "dottissimo e celebratissimo Ulisse Aldrovando", Redi non mancava di puntualizzare i numerosi errori di interpretazione anatomica commessi dal naturalista bolognese. E anche nelle Esperienze intorno alla generazione degl'insetti del 1668 le sue teorie spontaneiste erano state ripetutamente stigmatizzate.