Aunque tiene preferencia por la carrera de Medicina, su padre no le anima a elegirla, por lo que en 1934 se desplaza a Madrid y empieza Ciencias Naturales, enfocada al estudio de la Biología. Se aloja en la Residencia de Señoritas dirigida por María de Maeztu. La Guerra Civil interrumpe sus estudios y vuelve a Ferrol, dedicándose al aprendizaje del inglés y alemán y la mejora del francés. También emplea su tiempo en el estudio del litoral gallego. Finalizada la Guerra, vuelve a Madrid para terminar su carrera, obteniendo la licenciatura en 1941. En este mismo año y hasta 1948, comienza a ejercer como profesora de biología, botánica, zoología y geología en varios colegios de Ferrol.

En 1940 se casa con el militar de Marina Eugenio Leira, con quien tiene una hija en 1942, Ángeles Leira Alvariño, futura arquitecta afincada en Estados Unidos. Destinado su marido en Madrid en 1948, consigue una beca en el Instituto Español de Oceanografía (IEO), donde inicia su investigación sobre el plancton, tema al que va a dedicar sus estudios a lo largo de su vida. Gran logro para la científica el alcanzar un puesto en una institución casi exclusivamente masculina.

Una vez obtenido el doctorado en 1951, logra la plaza de bióloga oceanógrafa en el IEO de Vigo. Durante 1953 y 1954 realiza expediciones en buques científicos por Inglaterra, México, Estados Unidos y España mediante una beca del British Council concedida al Laboratorio de Plymouth. Es la primera mujer científica embarcada en un buque británico dedicado a la investigación.

Vuelve al IEO de Vigo en 1955 pero por poco tiempo, ya que en 1956 recibe una subvención de la Comisión Fullbright para continuar su investigación sobre el zooplancton en el Instituto Oceanográfico de Massachusetts. Dos años más tarde se traslada a La Jolla (California), donde continúa realizando expediciones oceanográficas en el Mar del Sur de China y en el Golfo de Tailandia. En 1967 se doctora en Biología por la Universidad de Madrid. Tres años después, pasa a formar parte del National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), empresa en la que se jubila en 1987. Gran defensora de los derechos laborales de las mujeres, presenta en 1977 una denuncia por discriminación de género: sus colegas de investigación masculinos, quieren apadrinar sus investigaciones de forma indebida. Se jubila en la institución NOAA en 1987 aunque continúa trabajando como científica emérita hasta 1993.

Siendo reconocida como autoridad mundial en materia del zooplancton, identificó veintidós nuevas especies marinas, dos de ellas llevan en su honor el apellido de la científica. Son numerosas sus publicaciones en revistas científicas como Bulletin Scripps Institution, Pacific Science, Calcofi Atlas y Boletín del Instituto Español de Oceanografía.  Destacan sus obras: España y la primera expedición científica oceánica, 1789-1794: Malaspina y Bustamante con las corbetas Descubierta y Atrevida (2000), Los quetognatos del Atlántico, distribución y notas esenciales de sistemática (1969), La merluza, el bacalao y especies afines y breve historia de la pesca del bacalao (1955) en colaboración con otros dos autores.

Recibe en vida variados reconocimientos por parte de numerosas universidades e instituciones, como el Instituto Politécnico Nacional de México, la Universidad Nacional Autónoma de México, la Universidad Federal de Panamá y la Universidad de San Diego. Recibe en 1993 la Gran Medalla de Plata de Galicia por su trayectoria científica.

Fallece en La Jolla el 29 de mayo de 2005 a consecuencia de un cáncer. A su muerte es recordada con los actos siguientes: en 2005, la Universidad de La Coruña le dedica la Semana de las Ciencias y el Ayuntamiento de Ferrol dedica una placa a su memoria en el Campo de Esteiro; en 2012, se le dio su nombre a uno de los más importantes buques de investigación oceanográfica del IEO, cuya botadura amadrinó su hija; en 2015, la Real Academia de las Ciencias de Galicia dedicó por primera vez a una investigadora mujer,  “Ángeles Alvariño”, el Día de la Ciencia; en 2018, un monolito es inaugurado por su hija en la Casa de las Ciencias de La Coruña, desde ese mismo año su nombre figura en la llamada Tabla Periódica de las Científicas y también el Concello de Ferrol crea el Premio de Investigación Ángeles Alvariño; en 2020 se incluye en el proyecto “Mujeres Investigadoras en los Archivos Estatales (1900-1970)”. Integra, además, la lista de los mil científicos más influyentes de la historia según la Encyclopedia of World Scientists como única mujer entre tan solo cuatro españoles.