В детстве Андрей увлекался плаванием, футболом, гандболом. Баскетболом стал заниматься в ДЮСШ Фрунзенского района Ленинграда с 1 класса; первый тренер — Алексей Васильев. В 1995 году в составе команды города стал чемпионом России по баскетболу среди игроков 1981 года рождения.
18 января 1997 года Кириленко начал свою профессиональную карьеру в составе санкт-петербургского «Спартака» в сезоне 1996/97, став в неполные 16 лет самым юным игроком первенств чемпионата России в истории турнира.
В 1997 году Кириленко принял участие в Чемпионате Европы среди юниоров, был признан самым ценным игроком (Most Valuable Player) турнира. Тренировался у Анатолия Штейнбока.
Летом 1998 года Кириленко перешёл в ЦСКА. По итогам регулярного сезона 1999/2000 Кириленко был признан лучшим игроком Чемпионата России.
В итоге в 2001-м году Андрей Кириленко оставил прежний коллектив и пополнил ряды одного из клубов Национальной Баскетбольной Лиги – «Юта Джаз». В составе своего нового коллектива российский универсал провел десять полновесных сезонов. За это время он стал одним из самых заметных игроков в составе своего коллектива, а также одним из ее самых высокооплачиваемых игроков. В составе клуба из Юты Андрей Кириленко сумел добиться многих значимых побед, однако стать чемпионом НБА он так и не сумел. Несмотря на это, Андрей несколько раз попадал в символичную сборную данного турнира, а также единожды участвовал в матче всех звезд лиги.
В 2007-м и 2012-м году Андрей Кириленко признавался лучшим игроком Старого Света по версии европейской ассоциацией баскетбола. Данные успехи перемежались с успехами игрока, завоеванными на уровне сборных.
Играя за национальную команду России, талантливый форвард выиграл золото чемпионата Европы (Испания-2007), а также стал бронзовым призером данного первенства (Литва-2011).
Кроме того, в 2012-м году Андрей Кириленко вместе со сборной РФ сумел добраться до третьего места по итогам олимпийского турнира по баскетболу. Данный успех игрок также может занести себе в актив.
Данные победы принесли нашему сегодняшнему герою звание Заслуженного мастера спорта России, а также орден «За заслуги перед отечеством» (второй степени). Из-за локаута в НБА, наступившего в 2011-м году, сезон 2011/2012 игрок провел в России.
В составе ЦСКА он стал чемпионом Единой лиги ВТБ, однако впоследствии снова перебрался за океан.
Следующими этапами в карьере звездного нападающего стали Миннесота Тимбервулвс (2012-2013) и Бруклин Нетс (2013-2014).
13 августа 2012 года Андрей был награждён медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени за «большой вклад в развитие физической культуры и спорта, высокие спортивные достижения на Играх XXX Олимпиады 2012 года в городе Лондоне (Великобритания)».
В сентябре 2013 года объявил о завершении карьеры в сборной.
24 февраля 2015 года ЦСКА объявил о подписании Андрея Кириленко до конца сезона. 1 апреля 2015 года было объявлено о переходе Андрея Кириленко на тренерскую работу. Выиграв с командой титул чемпиона России в Единой лиге ВТБ, Кириленко заявил о завершении спортивной карьеры.
В августе 2015 года избран президентом Российской федерации баскетбола (РФБ).