Андреас Бирнбахер начал заниматься биатлоном с 14 лет, хотя увлекался лыжами с раннего детства. В юниорском возрасте Андреас добился впечатляющих успехов. Он является четырёхкратным чемпионом мира среди юниоров, причём три золотые медали из четырёх возможных он завоевал на Чемпионате мира среди юниоров 2001 года в Ханты-Мансийске. Сезон 2001/2002 стал для него дебютным в Кубке мира. Однако первый подиум был только в сезоне 2004/2005, когда он сначала завоевал третье место в составе эстафетной команды на седьмом этапе кубка мира в Чезана Сан-Сикарио, а уже на следующем этапе занял третье место в спринте и гонке преследования. Сезон 2006/2007 принёс Андреасу первую медаль чемпионата мира, уже в следующем сезоне он стал чемпионом мира. Первую победу на этапах кубка мира Андреас одержал 17 марта 2011 года на этапе в Холменколене в спринтерской гонке на 10 км. Самое высокое положение в Кубке мира ему удалось достичь в сезоне 2011/2012 - 3-е место с 837 очками. Также по итогам этого сезона Андреас выиграл Малый хрустальный глобус в зачете масс-стартов, набрав 260 очков.