Взяв участь у п'яти чемпіонатах світу. 2007 року в японськомуСаппоро посів 17-те місце в спринті. У перегонах переслідування був 32-им. В естафеті Казахстан посів 7-ме місце. Чеський Ліберець, де відбувся чемпіонат світу 2009 році, став другим чемпіонатом для Олексія Полтораніна. Він вийшов на старт у п'яти дисциплінах. На дистанції 15 км класичним стилем він показав 16-й результат. На дистанції 30 км змішаним стилем він посів лише 49-те місце. У спринті він був 45-им. У командному спринті - 7-ме місце (у парі з Миколою Чеботьком). А в естафеті казахстанці замкнули десятку. 2011 року в Осло посів 31-ше місце в перегонах класичним стилем на дистанції 15 км. Пара Полторанін-Чеботько стала шостою. А естафетна четвірка посіла 13-те місце. У перших перегонах на чемпіонаті світу 2013 року в італійськомуВаль-ді-Фьємме в індивідуальному спринті Олексій посів 2-ге місце у кваліфікації, переміг у своєму чвертьфінальному заїзді, але у півфіналі через зламану палицю втратив час на старті і не потрапив до фіналу[2]. День по тому Олексій, виступаючи вже у командному спринті разом із Миколою Чеботьком, пройшли все сито кваліфікації й дістались фіналу. Весь фінальний забіг казахстанці трималися в голові групи. На останнє коло Полторанін вийшов першим, проте на фініші його обійшли росіяни та шведи. Казахстанці здобули бронзові нагороди[3]. У перегонах на 50 км класичним стилем Полторанін на фінішній лінії випередив росіянина Олександра Легкова й знову здобув бронзову медаль[4].
Зимові Азійські ігри
2007 року на зимових Азійських іграх у китайському Чанчуні здобув срібло у спринті. 2011 року на змаганнях з лижних перегонів на домашніх зимових Азійських іграх, що відбулися в Астані та Алма-Атах, Олексій Полторанін здобув чотири золоті та одну бронзову медалі, ставши таким робом найтитулованішим атлетом цих Ігор[1].
Кубок світу
Свою першу перемогу на етапі Кубку світу здобув 2010 року, вигравши перегони на 15 км із роздільного старту на другому етапі Кубка світу у швейцарському Давосі. Це була справжня сенсація як для спортсмена, що спеціалізується на спринті і до цього проявляв себе як хороший дистанційник у перегонах не довших за 10 км[5]. У сезоні 2011-2012 здобув одну перемогу, вигравши перегони переслідування на 15 км у фінському Куусамо на відкритті сезону. А ще посів 3-тє місце в мас-старті на 15 км у словенській Роглі. У сезоні 2012-2013 лідер збірної Казахстану став другим у перегонах на 15 км вільним стилем у шведському Єлліваре. На початку того сезону він деякий час очолював загальний залік Кубка світу. На престижній багатоденці Тур де Скі Полторанін переміг на двох класичних етапах в Італії. На етапі кубка світу у Ла Клюза Олексій виграв мас-старт на 15 км класичним стилем. Також виграв класичний спринт на етапі кубка світу в Давосі. Далі на етапах Кубка Світу в Лахті та Драммені став другим, в обох випадках поступившись Петтеру Нуртугу[1].
Використовує лижі виробництва фірми Fischer, черевики Alpina.
Допінговий скандал
27 лютого 2019 року в Австрії, де відбувався чемпіонат світу з лижних видів спорту, поліція затримала Оліксія Полтораніна за підозрою в допінгових маніпуляціях[6], а 28 лютого його звільнили після визнання застосування кров'яного допінгу[7].
У листопаді 2019 року дискваліфікований на 4 роки за застосування кров'яного допінгу на чемпіонаті світу[8].