Alexa Vega s-a născut în Miami, Florida. Tatăl ei este columbian, iar mama, Gina Rue, este o fostă modelă americană. Vega are șase frați: sora vitregă Margaux Vega (n. 1981), sora Krizia Vega (n. 1990), sora Makenzie Vega (n. 1994), sora vitregă Greylin James (n. 2000), fratele vitreg Jet James (n. 2005) și fratele vitreg Cruz Hudson Rue (n. 2009). S-a mutat cu familia în California când avea patru ani.
Vega s-a căsătorit cu producătorul de film Sean Covel pe 10 octombrie 2010, într-o ceremonie desfășurată în orașul său natal, Lead, South Dakota. A purtat o rochie de Ian Stuart și a fost condusă la altar de Robert Rodriguez. În iulie 2012, Vega a anunțat pe Twitter că a divorțat de Covel.
În august 2013, în timp ce se afla într-o croazieră cu prietenii, Vega s-a logodit cu actorul și cântărețul Carlos Pena, Jr. Cei doi s-au căsătorit pe 4 ianuarie 2014 în Puerto Vallarta, Mexic, și și-au schimbat numele de familie în PenaVega. Vega este creștină. Vega spune că credința ei este cel mai important lucru din viața ei. Vega se bucură de pescuitul în apă dulce, vorbește fluent spaniola și este o gimnastă experimentată. Vega este prietenă apropiată cu Nikki Reed și a fost domnișoară de onoare la nunta lui Reed cu Paul McDonald.