Hija del fotógrafo Jeff Dunas y la actriz Elyssa Davalos, Alexa Davalos creció interesada en seguir los pasos de su madre. Pasó una infancia y adolescencia con estilo bohemio, viviendo en Paris, Los Ángeles e Italia, hasta que a los 17 años se estableció a la ciudad de Nueva York, donde empezó a conseguir trabajos como modelo de anuncios impresos y televisivos. En dicha ciudad, su interés por la actuación creció, particularmente cuando asistía frecuentemente al Flea Theatre, un escenario famoso de off-Broadway. Luego de participar en teatro y algunas series de televisión, Alexa consiguió su primer papel importante y uno de sus más recordados, como Kyra, la dura combatiente en la cinta La batalla de Riddick (2004), al lado de Vin Diesel, cinta que impulsó su carrera y la ha mantenido estable y relevante. Davalos ha participado en cintas como Golpe de amor (2007), The Mist (2007), Furia de titanes (2010), además de series como Mob City (2013), The Punisher (2019) y El hombre en el castillo (2015-2019) una adaptación de la novela de ciencia ficción de Philip K. Dick