Родился в с. Верхний Любаж, Фатежского уезда, Курской губернии.
Окончил сельскую школу и Курскую учительскую семинарию.
Работал народным учителем.
С началом Первой мировой войны (1914) мобилизван в Русскую императорскую армию — рядовой Павловского лейб-гвардии полка.
Определён в учебную команду по окончании которой — унтер-офицер.
В 1916 г. окончил Ораниенбаумскую школу прапорщиков и отправлен на фронт.
Участвовал в боях на Западном и Юго-Западном фронтах.
Командир роты Полтавского 30-го пехотного полка, командир роты Финляндского лейб-гвардии полка.
После Февральской революции 1917 г. — поручик, командир батальона, помощник командира Финляндского лейб-гвардии полка.
Избран членом полкового солдатского комитета.
После Октябрьской революции вернулся на родину, работал учителем в сельской школе.
С 1918 г. — в Красной Армии.
С 1918 г. на фронтах Гражданской войны, воевал в составе 604-го стрелкового полка: командир батальона, помощник командира полка.
С сентябре 1919 г. — командир полка.
В конце 1919 г. назначен командиром 70-го стрелкового полка.
В 1920 г. — командир 27-й стрелковой бригады 9-й стрелковой дивизии.
Воевал на Южном и Кавказском фронтах против Вооружённых сил юга России (ВСЮР) генерала Деникина.
Отличился в боях за Донбасс.
Участвовал в разгроме войск барона Врангеля.
В 1928 г. — член РКП(б).
В июле 1923 г. — помощник командира 2-й Тульской стрелковой дивизии.
С октября 1924 г. — командир 2-й Белорусской стрелковой дивизии.
В 1923 г. окончил Высшие академические курсы.
В 1928 г. — курсы усовершенствования высшего начсостава при Военной академии имени М. В. Фрунзе.
В 1930 г. — курсы партийно-политической подготовки командиров-единоначальников при Военно-политической академии имени Н. Г. Толмачёва.
В ноябре 1930 г. — командир и комиссар 4-го стрелкового корпуса.
С декабря 1933 г. — помощник командующего войсками Белорусского военного округа по авиации.
В мае 1935 г. — на той же должности в Харьковском военном округе.
В августе 1937 г. назначен командующим войсками Среднеазиатского военного округа.
С ноября 1937 г. — начальник ВВС РККА — заместитель Народного комиссара обороны СССР по авиации.
В 1937 г. — депутат Верховного Совета СССР 1-го созыва.
На 18-м съезде ВКП(б) (1939) избран кандидатом в члены ЦК ВКП(б).
В июле 1940 г. — командующий войсками Прибалтийского Особого военного округа, созданного на территории присоединённых к СССР (Латвия, Литва Эстония).
Арестован 9 июня 1941 г. по постановлению Государственного комитета обороны.
Обвинялся в участии в военном заговоре.
Содержался во внутренней тюрьме НКВД СССР в Москве.
С началом Великой Отечественной войны вывезен в Куйбышев (ныне г. Самара).
Расстрелян на основании предписания Л.П. Берии.
Награды: ордена Красного Знамени (1923, 1938), орден Красной Звезды (1936), медаль «XX лет РККА» (1938)
В октябре 1955 г. постановлением Главной военной прокуратуры реабилитирован.
Под Самарой на месте расстрела А.Д. Локтионова и других узников НКВД открыт памятный знак, на котором высечено: "Установлен на месте захоронения жертв репрессий 30-40-х гг. Поклонимся памяти невинно погибших…".
В 1991 в с. Верхний Любаж на доме, где родился А.Д. Локтионов, установили мемориальную доску.