Александр Иванович Брилиантов родился в 1867 г. в Кирилловском уезде Новгородской губернии в семье священника, окончил Кирилловское духовное училище, Новгородскую семинарию и Санкт-Петербургскую духовную академию.
В 1898 г. Бриллиантов был удостоен ученой степени магистра богословия за сочинение «Влияние восточного богословия на западное в произведениях Иоанна Скотта Эригены». В 1900 г. Александр Иванович стал доцентом Санкт-Петербургской академии по кафедре общей церковной истории, также являлся делопроизводителем Комиссии Синода по старокатолическому и англиканскому вопросам. В 1914 г. Бриллиантов был удостоен ученой степени доктора церковной истории и стал ординарным профессором СПбДА по кафедре истории древней Церкви.
Историк принимал активное участие в спорах о реформе церковного устройства, выступал за созыв Поместного Собора.
Заслугой Бриллиантова стало издание «Лекций по истории древней Церкви» В.В. Болотова.
Александр Иванович был членом Предсоборного присутствия и Предсоборного совета, в 1917 – 1918 г. был членом Священного Собора Православной Российской Церкви.
Бриллиантов был известен не только своими обширными познаниями, но и искренним благочестием. В 1917 г. ученый был выдвинут кандидатом на пост митрополита Петроградского.
После большевистского переворота и закрытия академии Бриллиантов стал преподавать в Петроградском педагогическом институте, в 1919 – 1921 гг. был сотрудником архива, профессором Петроградского богословского института, сотрудником Государственной публичной библиотеки.
На протяжении долгих лет Бриллиантов являлся хранителем архива и библиотеки Санкт-Петербургской духовной академии, спасал их от разграбления и уничтожения.
1 марта 1930 г. Александр Иванович вышел на пенсию. 10 июня того же года он был арестован по «Академическому делу», обвинен в участии в «контрреволюционной организации, возглавляемой С. Платоновым и ставившей целью свержение власти и восстановление монархического строя». В феврале 1931 г. А.И. Бриллиантов был приговорен к расстрелу. 10 мая расстрел был заменен на 5 лет концлагеря с конфискацией имущества. В 1932 г. Бриллиантов был освобожден из заключения и выслан в Тамбов. 1 июня 1933 г. ученый скончался. По одним сведениям, это произошло в Тамбове, по другим сведениям – на этапе в концлагерь (Свирлаг).