Родился 17 марта 1959 г. в Москве. Его отец – Рэм Александрович Белоусов (1926-2008), советский экономист, участник разработки косыгинской экономической реформы в середине 1960-х гг. Заведовал кафедрой управления социально-экономическими процессами Академии общественных наук при ЦК КПСС, в последние годы был профессором Российской академии государственной службы при президенте РФ.
В 1981 г. Андрей Белоусов с отличием окончил экономический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова по специальности "экономист-кибернетик".
Доктор экономических наук. В 1986 г. в Центральном экономико-математическом институте Академии наук СССР защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата экономических наук по теме "Имитационный подход к моделированию взаимосвязанных процессов формирования и использования оборотных средств". В 2006 г. в Институте народнохозяйственного прогнозирования Российской академии наук (РАН) защитил докторскую диссертацию по теме "Противоречия и перспективы развития системы воспроизводства российской экономики".
В 1981–1986 гг. работал стажером-исследователем, младшим научным сотрудником Центрального экономико-математического института АН СССР.
С 1986 по 1990 г. – младший научный сотрудник, научный сотрудник, старший научный сотрудник Института экономики и прогнозирования научно-технического прогресса АН СССР.
В 1990–2006 гг. работал старшим научным сотрудником, заведующим лабораторией Института народнохозяйственного прогнозирования РАН.
С 2000 по 2006 г. – генеральный директор Центра макроэкономического анализа и краткосрочного прогнозирования и одновременно внештатный советник председателей правительства РФ. Сотрудничал с Центром стратегических разработок при подготовке программы развития России до 2010 г. (совет Центра возглавлял министр экономического развития и торговли РФ Герман Греф). Андрей Белоусов выступал как сторонник активного участия государства в управлении экономикой, путем перераспределения ресурсов (капитала, трудовых ресурсов, энергии и др.) между различными отраслями народного хозяйства. Поддерживал идею "индустриальной модернизации" российской экономики.
С 6 февраля 2006 г. по 17 июля 2008 г. Андрей Белоусов занимал пост заместителя министра экономического развития и торговли РФ (с 12 мая 2008 г. - замминистра экономического развития РФ). До сентября 2007 г. ведомство возглавлял Герман Греф, затем - Эльвира Набиуллина.
В 2008–2012 гг. Андрей Белоусов был директором департамента экономики и финансов Аппарата правительства РФ.
С 21 мая 2012 г. по 24 июня 2013 г. – министр экономического развития РФ в правительстве Дмитрия Медведева. Был управляющим от России в Европейском банке реконструкции и развития и заместителем управляющего от РФ в Международном банке реконструкции и развития.
24 июня 2013 г. перешел на работу в Администрацию президента РФ, где до 21 января 2020 г. занимал должность помощника главы государства Владимира Путина по экономическим вопросам.
С 17 июня 2015 г. по 29 сентября 2018 г. - председатель совета директоров нефтяной компании "Роснефть".
С 21 января 2020 г. по 14 мая 2024 г. - первый заместитель председателя правительства РФ Михаила Мишустина. С 30 апреля по 19 мая 2020 г., на время госпитализации Михаила Мишустина с коронавирусной инфекцией, Андрей Белоусов исполнял обязанности главы правительства.
В сфере его полномочий как вице-премьера были разработка основных направлений социально-экономического развития страны, координация работ по достижению национальных целей развития РФ и реализации нацпроектов, вопросы единой финансовой, кредитной и денежной политики, регулирования финансовых рынков. Курировал деятельность институтов развития, реализацию инвестиционных проектов, госрегулирование в сфере интеллектуальной собственности, внешнеэкономической деятельности, таможенное и тарифное регулирование, участие России в ВТО. Отвечал за госполитику в сферах деятельности естественных монополий, государственную статистику, транспорт, противодействие санкциям и др. С 2022 г. курировал развитие технологий создания высокоскоростных транспортных средств и интеллектуальных систем управления в отрасли, а также разработку транспортной техники нового поколения, перспективных космических систем и сервисов.
С 14 мая 2024 г. - министр обороны РФ. Сменил во главе ведомства Сергея Шойгу.
Член Совета при президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам, заместитель председателя президиума совета (с июля 2018 г.).
Руководит правительственными комиссиями по экономическому развитию и интеграции, по транспорту (с 2020 г.), по вопросам развития авиационных беспилотных систем (с 2023 г.), национальным советом по обеспечению финансовой стабильности (с 2020 г.).
Заместитель председателя Координационного совета при правительстве РФ по борьбе с распространением новой коронавирусной инфекции на территории Российской Федерации (с 14 марта 2020 г.).
Председатель совета директоров РЖД (с апреля 2020 г.).
Член ученого совета Института народнохозяйственного прогнозирования РАН. Входит в редакционные советы журналов "Проблемы прогнозирования" и "Форсайт".
Являлся заместителем председателя Экономического совета при президенте РФ (2012-2018). Входил в состав Военно-промышленной комиссии РФ (2014-2020).
Был членом наблюдательного совета госкорпорации "Росатом" (2007-2012).
Действительный государственный советник РФ I класса (2011).
Награжден орденом Почета (2009). Имеет благодарность президента (2005) и правительства РФ (2009).
Заслуженный экономист РФ (2007).
Член-корреспондент Российской академии естественных наук (1997).
Автор книги "Эволюция системы воспроизводства российской экономики: от кризиса к развитию" (2006).
Хобби – история живописи.
Занимается атлетическим фитнесом.