В 1959 году Александр Демьяненко был приглашен в Московский академический театр имени Владимира Маяковского, где он проработал три года. Вскоре он покинул столицу и обосновался в Ленинграде, где работал на киностудии "Ленфильм" до конца своих дней.
В кино актер дебютировал ролью, которая привлекла к Демьяненко внимание и зрителей, и режиссеров – в картине Александра Алова и Владимира Наумова "Ветер", вышедшей на экраны в 1958 году. У этих же режиссеров Демьяненко снялся в фильме "Мир входящему" (1961), благодаря этой роли его узнали за рубежом – лента была отмечена несколькими премиями на фестивале в Венеции.
Однако на всю страну Демьяненко прославился в середине 60-х годов ролью студента Шурика в комедиях Леонида Гайдая.
На телевидении Демьяненко выступал в самых неожиданных образах и даже играл моноспектакли, среди которых "Кумир" Дюрренматта, "Чародейная ночь" С. Мрожека, "До самой сути" и "Семь крестиков в записной книжке" Сименона.
Демьяненко сумел создать запоминающиеся образы в нескольких фильмах у режиссеров, которых интересовал незаурядный драматический талант актера. Например, в "Угрюм-реке" и в "Учителе пения" Наума Бирмана. Кроме того, актер много работал в театре, снимался на телевидении, озвучивал анимационные фильмы.