Como era o segundo filho do rei Afonso II, Afonso não deveria herdar o trono destinado a seu irmão mais velho Sancho, e por isso viveu na França, onde se casou com a condessa Matilde II de Bolonha em 1235, tornando-se assim conde jure uxoris de Bolonha. Por causa desse casamento, ele ficou conhecido como “O Bolonhês”. Entretanto, em 1246, os conflitos entre Sancho II e a Igreja tornaram-se insustentáveis e o Papa Inocêncio IV ordenou a substituição do rei pelo conde de Bolonha. Afonso não ignorou a ordem papal e dirigiu-se a Portugal, onde se fez coroar rei em 1248, após o exílio e morte de Sancho II, em Toledo.
Decidido a não cometer os mesmos erros do irmão, o novo rei prestou especial atenção à classe média de mercadores e pequenos proprietários, ouvindo suas queixas. Em 1254, na cidade de Leiria, convocou a primeira reunião das Cortes, a assembleia geral do reino, com representantes de todas as camadas da sociedade. Afonso preparou legislação que restringia a possibilidade de as classes altas cometerem abusos sobre a população menos favorecida e concedeu inúmeros privilégios à Igreja. Recordado como excelente administrador, Afonso III organizou a administração pública, fundou várias vilas e concedeu privilégio de cidade através do edito de várias cartas de foral. Com o trono seguro e a situação interna pacificada, Afonso voltou sua atenção para os propósitos da Reconquista do Sul da Península Ibérica às comunidades muçulmanas. Durante o seu reinado, Faro foi tomada com sucesso em 1249 e o Algarve incorporado ao reino de Portugal. Após esta campanha de sucesso, Afonso teve de enfrentar um conflito diplomático com Castela, que considerava que o Algarve lhe pertencia. Seguiu-se um período de guerra entre os dois reinos até que, em 1267, foi assinado um tratado em Badajoz que determina a fronteira no Guadiana desde a confluência do Caia até à foz, a fronteira luso-castelhana.
Para aceder ao trono de Portugal, Afonso abdicou de Bolonha e repudiou Matilde. Em 1253, o rei desposou D. Beatriz de Castela, conhecida por D. Brites por distorção do povo, filha de D. Afonso X de Castela, chamado O Sábio. Desde logo isto constituiu polêmica pois D. Afonso era já casado com Matilde II de Bolonha. O Papa Alexandre IV respondeu a uma queixa de D. Matilde, ordenando ao rei D. Afonso que abandonasse D. Beatriz em respeito ao seu matrimônio com D. Matilde. O rei não obedeceu, mas procurou ganhar tempo neste assunto delicado, e o problema ficou resolvido com a morte de D. Matilde em 1258. O infante, D. Dinis (que sucedeu ao pai no trono), nascido durante a situação irregular dos pais, foi então legitimado em 1263. O casamento funcionou como uma aliança que pôs termo à luta entre Portugal e Castela pelo Reino do Algarve. Também resultou em mais riqueza para Portugal quando D. Beatriz, já após a morte do marido, recebe do seu pai, Afonso X de Castela, uma bela região a leste do Rio Guadiana. Tamanha dádiva deveu-se ao apoio que D. Beatriz lhe prestou durante o seu exílio na cidade de Sevilha.
No final de sua vida, Afonso III viu-se envolvido em conflitos com a Igreja, tendo sido excomungado em 1268 pelo arcebispo de Braga e pelos bispos de Coimbra e Porto, e ainda pelo próprio Papa Clemente IV, à semelhança dos reis que o precederam. O clero havia aprovado um libelo contendo 43 queixas contra o monarca, entre as quais se achavam o impedimento aos bispos de cobrarem dízimos, utilização dos fundos destinados à construção dos templos, obrigação aos clérigos de trabalhar nas obras das muralhas das vilas, prisão e execução de clérigos sem autorização dos bispos, ameaças de morte ao arcebispo e aos bispos e, ainda, a nomeação de judeus para cargos de grande importância. O rei, que era muito querido pelos portugueses por decisões como a da abolição da anúduva (imposto do trabalho braçal gratuito, que obrigava as gentes a trabalhar na construção e reparação de castelos e palácios, muros, fossos e outras obras militares), recebeu apoio das cortes de Santarém, em janeiro de 1274, onde foi nomeada uma comissão para fazer um inquérito às acusações que os bispos faziam ao rei. A comissão, composta majoritariamente por adeptos do rei, absolveu-o. O Papa Gregório X, porém, não aceitou a resolução tomada nas cortes de Santarém e mandou que se excomungasse o rei e fosse lançado interdito sobre o reino em 1277. À sua morte, em 1279, D. Afonso III jurou obediência à Igreja e a restituição de tudo o que lhe tinha tirado. Face a esta atitude do rei, o abade de Alcobaça levantou-lhe a excomunhão e o rei foi sepultado no Mosteiro de Alcobaça.
D. Afonso III foi casado duas vezes, tendo filhos só da segunda esposa. Teve, entretanto, muitos filhos ilegítimos com diversas mulheres.