Conhecido como "O Sábio". Foi rei de Castela e Leão de 1252 até sua morte.
Com a morte de seu pai, em 1252, Afonso (que era o filho primogênito) sucedeu-o no trono, reinando como Afonso X de Leão e Castela.
Seu reinado foi repleto de realizações importantes. Ele impulsionou a economia, tendo criado uma instituição para representar os criadores de gado e os pastores. Estas atividades tinham mais importância econômica em Leão e Castela do que a agricultura. Afonso X também fomentou o repovoamento de terras conquistadas aos muçulmanos, principalmente no Reino de Múrcia e na Baixa Andaluzia. Fundou a "Villa Real", que depois passaria a ser chamada Cidade Real (ainda existente na atual Espanha), colocando o rei desse modo uma vila de sua propriedade, com funcionários fiéis ao rei, no meio de uma região controlada por ordens militares (as quais o rei preferia ter como aliadas).
Mas Afonso X foi prioritariamente um legislador. Compôs, em castelhano, duas importantes obras legislativas: "Fuero Real de Castela" ("Foro Real de Castela", texto promulgado com a intenção de homogeneizar as leis vigentes em seu reino) e "Siete Partidas" (ou simplesmente "Partidas", ou "Libro de las Leyes"), obra considerada o legado mais importante da Espanha para a história do direito. Foi o corpo jurídico de mais ampla e longa vigência na América Ibérica (até o século XIX).
Por conta da educação esmerada e diversificada que recebeu, Afonso X deu também grande impulso às atividades culturais. Ele foi um mecenas generoso do movimento trovadoresco, sendo ele próprio um trovador e poeta. Ainda jovem, antes de ser coroado rei, escreveu muitas cantigas de escárnio e maldizer, no idioma galaico-português (a língua mais usada na lírica ibérica do século XIII), e vários hinos em louvor da Virgem Maria. São também de sua lavra: "História da Espanha" e "Grande história geral", obra sobre a história universal.
Afonso X realizou a primeira reforma ortográfica do castelhano, idioma que adotou como oficial em vez do latim. O rei convocou um grupo de estudiosos cristãos, judeus e muçulmanos, com conhecimento das línguas hebraica, árabe e latina, os quais se reuniam na que ficou conhecida como Escola de Tradutores de Toledo. Ali se realizou o importantíssimo trabalho de traduzir textos clássicos da Antiguidade para o castelhano, colocando este idioma como língua culta tanto no âmbito científico como no literário. Estas obras foram responsáveis pelo renascimento científico de toda a Europa medieval, fornecendo inclusive os conhecimentos necessários para o período subsequente, o dos Descobrimentos. Esta verdadeira revolução cultural que Afonso X impulsionou foi chamada de renascimento do século XIII. Mas a obra que mais foi traduzida e divulgada em seu reinado foi a Bíblia. Ele patrocinou ainda uma tradução do Talmude, feita por acadêmicos judeus.
O rei também colaborou na obra "El libro del saber de astronomia", obra baseada no sistema ptolomaico (geocentristo, ou seja, a Terra como centro do Universo, entendimento que perdurou até o resgate do heliocentrismo - o Sol como centro - feito por Copérnico no século XV). Esta obra contou com a participação de vários cientistas, reunidos pelo rei, aos quais ele proporcionava os meios de estudo e investigação, tendo mesmo mandado instalar um observatório astronômico em Toledo. Nesta obra se encontram as Tabelas Afonsinas, sobre as posições dos planetas, baseadas nos cálculos de cientistas árabes. Em reconhecimento ao impulso dado por Afonso X ao estudo da astronomia, em 1935 seu nome - ALFONSUS - foi atribuído a uma cratera lunar.
Ele contribuiu ainda para a obra "Lapidário", que é um tratado sobre as propriedades dos minerais, e "O livro dos jogos", que aborda temas lúdicos, como xadrez, gamão e outros passatempos da nobreza de seu tempo.
Antes de se casar com Violante de Aragão, Afonso X teve diversos relacionamentos, que resultaram em 3 filhos, de 3 diferentes mulheres. O relacionamento com Mor Guilhén de Gusmão foi, provavelmente, o mais estável e duradouro, do qual nasceu a filha natural Beatriz de Castela. Do casamento com Violante de Aragão nasceram 11 filhos. O rei foi pai, também, de mais 2 filhos ilegítimos, de mãe desconhecida, os quais ainda eram menores de idade quando ele fez seu testamento em janeiro de 1284.
Por conta da ascendência germânica de sua mãe, Afonso se permitiu aspirar ao trono imperial germânico, tendo investido grande esforço e muito dinheiro por muitos anos na obtenção da coroa do Sacro Império Romano-Germânico, porém seu investimento foi em vão.
Com o falecimento de seu filho Fernando de La Cerda, legítimo herdeiro do trono castelhano, Afonso X legou em testamento os direitos sucessórios para o neto, o primogênito de seu filho Fernando. Entretanto, o segundo filho de Afonso e irmão de Fernando, o infante Sancho, reclamou a sucessão para si, pois havia sido deserdado pelo pai. Afinal, depois da morte de Afonso X, Sancho foi coroado rei, sucedendo ao pai como Sancho IV de Leão e Castela.