Naix a Madrid el 30 de maig de 1958 i posteriorment es trasllada amb la seua família a Mission Viejo, Califòrnia, on es gradua a l'institut local el 1976. El 1980 es titula en Enginyeria de Sistemes per l'Acadèmia Naval dels EUA i el 1988 rep el Màster en Enginyeria Aeronàutica per l'Escola Naval de Postgrau dels EUA. Es gradua igualment per la Universitat Harvard en el Programa Governamental per a Executius. Parla anglès, espanyol, francès i rus.
Després de preparar-se com a pilot de vol i de ser designat com a pilot naval el 1981, López-Alegría treballa primer com a instructor de vol i després com a pilot i comandant de l'avió EP-3I.
L'any 1986 s'integra en un programa biennal conjunt entre l'Escola Naval de Postgrau de Monterey, Califòrnia, i l'Escola Naval de Pilots de Proves de Patuxent River, Maryland. Posteriorment, i abans d'iniciar la seua vinculació amb NASA, treballa com a pilot de proves i gestor de programes al Centre Naval Aeri de Proves. Ha acumulat més de 5.000 hores de vol en 30 models d'avió diferents.
A l'agost de 1992 López-Alegría ingressa al Centre Espacial Johnson (JSC). Després d'un any d'entrenament i de ser nomenat astronauta, és destinat, en primer lloc, a un departament tècnic dins de l'Oficina d'Astronautes, i posteriorment al Centre Espacial Kennedy (KSC), on va fer tasques de representació de tripulacions i suport per a llançaments i aterratges.
