Андрей Юрьевич Толубеев родился 30 марта 1945 года в Ленинграде, в артистической семье, сын актёров Ленинградского театра драмы им. А. С. Пушкина Юрия Толубеева и Тамары Алёшиной

В детстве он мечтал стать космонавтом, но проблемы со зрением помешали исполнению этой мечты. Окончив школу, Андрей поступил на факультет подготовки авиационных и космических врачей Ленинградской военно-медицинской академии имени С. М. Кирова. Будучи студентом, играл в университетском театре. После окончания академии несколько лет служил в армии, окончил курсы психофизиологии, был секретарем комсомольской организации.

В Ленинграде он поступил в театральный институт, в 1973 году оставил службу. С 1975 года и до конца недолгой жизни он проработал в одном театре – Большом драматическом, сыграв более 40 ролей.

В кино актёр снимался с середины 1970-х годов. Первой заметной ролью стал Гусаков в детективе «Два долгих гудка в тумане». Актёр снимался в таких фильмах, как «Убить дракона» М. Захарова (1978), «Слёзы капали» Г. Данелии (1982), «Единожды солгав» В. Бортко (1987), «Чернов/Chernov» С. Юрского (1990), «Ребро Адама» В. Криштофовича (1990). Широкому кругу зрителей Андрей Толубеев известен, в частности, по телесериалу «Агент национальной безопасности», где он сыграл полковника, а в дальнейшем – и генерала ФСБ Ивана Ивановича Тарасова, а также – по роли полковника Геннадия Петровича Ващанова в «Бандитском Петербурге».

Андрей Толубеев также автор рассказов, повестей, пьес. В 2006 году он выпустил книгу «Наполнение луной» со своими лучшими произведениями.

Работал на телеканале «Культура».

В 1991 году ему было присвоено звание Народного артиста России, в 2000 и 2004 годах он был удостоен Государственной премии России.

Андрей Толубеев много лет счастливо прожил в браке с актрисой БДТ Екатериной Дмитриевной Марусяк (Толубеевой). У них родились две дочери: Елизавета, ставшая абсолютной чемпионкой мира по тэквандо среди юниоров, юрист, и Надежда, которая пошла по стопам родителей, став актрисой.

Скончался Андрей Юрьевич Толубеев после тяжелой болезни 7 апреля 2008 года. Похоронен в некрополе «Литераторские мостки» на Волковском кладбище в Санкт-Петербурге рядом с отцом Юрием Толубеевым.