Получив начальное образование дома, Андрей Николаевич в 1901 г. поступил в тверскую гимназию, которую окончил в мае 1908 г. Ещё во время обучения в гимназии он проявлял большой интерес к точным наукам и технике. В 1908 поступил в Императорское техническое училище (позднее МВТУ). В училище серьёзно увлёкся аэродинамикой. С 1909 года — член воздухоплавательного кружка. Участвовал в постройке планёра, на котором самостоятельно совершил первый полет (1910). В 1911 году успешная учёба и активная научная деятельность прервались, когда за участие в волнениях и распространение нелегальной литературы он был арестован и в административном порядке выслан из Москвы на родину под негласный надзор полиции. И только накануне Первой мировой войны ему удалось вернуться в училище, которое он с отличием окончил в 1918 году. В 1916-1918 годах Туполев участвовал в работах первого в России авиационного расчётного бюро; конструировал первые аэродинамические трубы в училище. Вместе с Н. Е. Жуковским был организатором и одним из руководителей ЦАГИ. В ЦАГИ окончательно определилось призвание молодого инженера. В 1918—1936 годах он являлся членом коллегии и заместителем начальника института по опытному цельнометаллическому самолётостроению.
В 1923 году Туполев создал свой первый лёгкий самолёт смешанной конструкции (АНТ-1), в 1924 - первый советский цельнометаллический самолёт (АНТ-2), в 1925 - первый боевой цельнометаллический самолёт (АНТ-З), строившийся серийно (свыше 100 экземпляров) и поступивший на вооружение как разведчик Р-3. Впервые в мировой практике Туполев научно обосновал рациональность схемы свободнонесущего цельнометаллического моноплана с профилем крыла большой строительной высоты, с двигателями, расположенными в его носке. Он же создал такой самолёт, не имевший аналогов в мире (АНТ-4) в 1925 году, построено свыше 200 самолетов, выпускался как бомбардировщик ТБ-1. Герой Труда РСФСР (1926).
В 1936 году Туполев назначается первым заместителем начальника и главным инженером Главного управления авиационной промышленности Наркомтяжпрома, одновременно он возглавляет выделенное из системы ЦАГИ КБ с заводом опытных конструкций (авиационный завод № 156). 21 октября 1937 года А. Н. Туполев был арестован по обвинению во вредительстве и шпионаже. Вместе с ним была арестована вся верхушка ЦАГИ и ОКБ, директора большинства авиационных заводов. Многие из них были расстреляны. В заключении работал в закрытом КБ НКВД — ЦКБ-29 («Туполевская шарага»). Постановлением Президиума Верховного Совета СССР от 19 июля 1941 года А.Н. Туполев досрочно освобожден от дальнейшего отбытия наказания со снятием судимости. Был реабилитирован только Определением Военной коллегии Верховного суда СССР от 9 апреля 1955 года. В начале Великой Отечественной войны эвакуирован в Омск, где назначен главным конструктором завода № 166 Народного комиссариата авиационной промышленности СССР, сумел восстановить конструкторское бюро. В 1943 году Туполев вернулся в Москву и был назначен главным конструктором и ответственным руководителем завода № 156, где и была создана главная база ОКБ А.Н. Туполева.
Андрей Николаевич награждён восемью орденами Ленина (1933, 1945, 1947, январь 1949, декабрь 1949, 1953, 1958, 1968), орденами Октябрьской Революции (1971), Суворова 2-й степени (1944), Отечественной войны 1-й степени (1943), двумя орденами Трудового Красного Знамени (1927, 1933), орденами Красной Звезды (1933), "Знак Почёта" (1936), медалями, орденом Георгия Димитрова (Народная Республика Болгария, 1964). Лауреат Ленинской премии (1957), четырёх Сталинских премий 1-й степени (1943, 1948, 1949, 1952) и Государственной премии СССР (1972). Почётный гражданин Парижа (1964), Нью-Йорка и города Жуковский Московской области (1968). Почётный член Королевского авиационного общества Великобритании (1970) и Американского института аэронавтики и астронавтики (1971). Присуждены премии Н.Е. Жуковского АН СССР (1958), Золотая авиационная медаль ФАИ (1958), премия имени Леонардо да Винчи (1971), Золотая медаль Общества основоположников авиации Франции (1971).
Туполевым разработано свыше 100 типов самолётов, 70 из которых выпускались серийно. На его самолётах завоёвано 78 мировых рекордов, выполнено 28 уникальных перелётов, в том числе спасение экипажа парохода «Челюскин» на АНТ-4, беспосадочные перелёты в США через Северный полюс экипажей В. П. Чкалова и М. М. Громова на АНТ-25, высадка научных экспедиции «Северный полюс» во главе с И. Д. Папаниным. Имя Туполева носят Авиационный научно-технический комплекс в Москве