Мати — Марія Яківна Колмогорова (1871—1903) — померла при пологах. Батько — Микола Матвійович Катаєв — загинув у 1919 році. Колмогорова усиновила і виховала материна сестра, Віра Яківна Колмогорова.
Він рано почав виявляти різноманітні інтереси. Навчаючись у московській гімназії, Колмогоров захоплювався біологією, фізикою, історією. У 14 років самостійно за енциклопедією почав вивчати вищу математику. Усе життя діяльність А. М. Колмогорова була нерозривно пов'язана з Московським університетом, на математичне відділення якого він вступив у 1920 році. В університеті молодий учений приєднався до наукової школи М. М. Лузіна.
У 1920-ті рр. лузінська школа переживала пору свого розквіту, активно працювали П.C. Александров, Д. Є. Меньшов, Л. А. Люстерник. У віці 19 років Колмогоров зробив велике наукове відкриття — побудував всюди розбіжний тригонометричний ряд. Його ім'я стає відомим у науковому світі. Заняття теорією множин і тригонометричними рядами пробудили у Колмогорова інтерес до теорії ймовірностей. Його книга «Основні поняття теорії ймовірностей» (1936), де була побудована аксіоматика теорії ймовірностей, належить до класичних праць в цій галузі науки.
Колмогоров був одним із творців теорії випадкових процесів. Йому належать фундаментальні наукові відкриття у класичній механіці, де після досліджень І. Ньютона і П. Лапласа він зробив радикальний прорив у розв'язку основної проблеми динаміки, що стосується стійкості Сонячної системи.
У гідродинаміці (теорії турбулентності) Колмогорову належать досягнення, які мають характер відкриття законів природи. У 1956—1957 рр. він почав займатися 13-тою проблемою Гільберта. Його учень Володимир Арнольд отримав результат, що призвів до її повного розв'язання і подальшого розвитку цієї проблематики.
Наприкінці життя А. М. Колмогоров зробив спробу розкрити сутність понять «порядок» і «хаос», показати, як хаотичні процеси, що ми сприймаємо як випадкові, виникають з детермінованих, але складно влаштованих явищ. Так виникла його концепція випадковості як алгоритмічної складності.
В останні роки свого життя учений брав активну участь розробці питань математичної освіти в школі і університетах, зробив величезний внесок у розвиток освіти.
Членство в іноземних академіях та наукових товариствах[21]
Йому були присуджені Державна (1941) і Ленінська (1965) премії, премії АН СРСР ім. П. Л. Чебишева і М. І. Лобачевського, Міжнародна Бальцанівська премія (1963), Міжнародна премія фонду Вольфа (1981), Медаль Гельмгольця Академії наук НДР, Золота медаль американського метеорологічного товариства.
Деякі публікації А. М. Колмогорова
А. Н. Колмогоров. О профессии математика. — М. : Изд-во Московского Университета, 1988. — 32 с.