Ещё будучи школьником, в 1944 г. А.А. Формозов сделал свои первые археологические находки, участвуя в геологической экспедиции в Приаралье, и в 1945 г. опубликовал сообщение о них. В 1946–1951 гг. учится на историческом факультете МГУ, специализируясь на кафедре археологии, которой тогда заведовал член-корр. АН СССР А.В. Арциховский. В 1951–1954 гг. продолжил подготовку в аспирантуре Института истории материальной культуры (ныне Институт археологии РАН). Затем, на протяжении практически полувека (1954–2003 гг.) служил научным сотрудником этого Института.
В становлении личности учёного большую роль сыграло многолетнее дружеское общение с археологами А.В. Арциховским и С.Н. Замятниным, историком А.А. Зиминым и искусствоведом В.Н. Лазаревым; увлечение классическим искусством (прежде всего балетом) и литературой.
В 1952–1956 гг. он проводил раскопки стоянок каменного века в Крыму; в 1957–1963 и в 1969 гг. – поселений каменного и бронзового веков на Кавказе.
В историю мировой археологической науки прочно вошли его открытия на пещерных стоянках эпохи мустье Староселье, Кабази, Навес в Холодной Балке; неолитической стоянки Кая-Арасы в Крыму; открытие позднего палеолита в пещерах Прикубанья; серии энеолитических поселений неизвестного ранее типа в Краснодарском крае (Мешоко, Ясенова Поляна, Хутор Весёлый, Скала, Хаджох). Итоги полевых работ А.А. Формозова освещены в его капитальных монографиях: «Пещерная стоянка Староселье и её место в палеолите» (1958), «Неолит Крыма и Черноморского побережья Кавказа» (1962), «Каменный век и энеолит Прикубанья» (1965).
Значителен вклад А.А. Формозова в разработку концептуальных проблем первобытной истории человечества, начальных этапов развития культуры. Благодаря в том числе и его трудам была преодолена долгое время господствовавшая в советской археологии надуманная «теория» Н.Я. Марра и его последователей о стадиальности древних обществ, отрицавшая их культурно-историческую специфику. Как отмечено в действующем университетском учебнике В.П. Алексеева и А.И. Першица «История первобытного общества» (М., 2000), А.А. Формозов «аргументировал гипотезу, в соответствии с которой чёткие локальные различия появились лишь в эпоху верхнего палеолита, и разработал локальную типологию для территории Европейской части СССР». Это было сделано им в монографиях «Этнокультурные области на территории Европейской части СССР в каменном веке» (1959), «Проблемы этнокультурной истории каменного века Европейской части СССР» (1977).
Десять лет спустя после весьма успешного начала своих полевых работ, А.А. Формозов прекратил стационарные раскопки (о причинах такого решения говорится в заключающем настоящую книгу очерке «Вокруг пещеры Староселье»). Его увлекла новая тематика – памятники первобытного искусства на территории нашей страны. В 1963–1968 гг. он объехал весь ареал древних наскальных рисунков на территории СССР, лично изучив петроглифы в их наиболее важных концентрациях. На основе собранного полевого материала и полного изучения литературы вопроса создал оригинальную концепцию развития искусства в каменном веке. Результаты этих исследований выражены им в книгах: «Памятники первобытного искусства на территории СССР» (2 издания: 1966, 1980), «Очерки по первобытному искусству» (1969), «Наскальные изображения и их изучение» (1987).
В 2002 г. в серии «Научно-популярная литература» издательства «Наука» увидела свет его книга «Древнейшие этапы истории Европейской России»[177]. В ней впервые не только в общедоступной, но и в научной литературе даны систематические очерки заселения Восточной Европы первобытными людьми и о дальнейшем развитии их культуры вплоть до I тыс. н. э. – начала железного века, о котором сохранились первые известия в письменных источниках. Рассмотрены история экономики, быта, искусства древнейших социумов нашей Родины, формирование существующих до сего дня языковых и антропологических групп. Проанализировано влияние материальной и духовной культуры тех далеких эпох на дальнейший ход исторического развития России.