Ha giocato tre edizioni dell'EuroBasket. Il primo in Spagna nel 2007, anno in cui fa il suo esordio con la Nazionale Senior; il secondo nel 2011 in Lituania e il terzo nel 2015 (Berlino e Lille). Nel 2009 e nel 2010 prende parte alle gare di qualificazione ai Campionati Europei rispettivamente del 2009 e del 2011. Nell’estate del 2013 non ha potuto partecipare all’EuroBasket 2013 a causa di un’infezione alle vie respiratorie. In totale, con le Giovanili Azzurre, ha collezionato 36 presenze e 233 punti (U20 11/140, U18 11/64, U16 14/29).

Andrea comincia a giocare a basket all’età di cinque anni e a sei si trasferisce a Trezzano Rosa, in provincia di Milano. Nel 1997 è di nuovo a Roma per giocare prima con il Basket Roma e poi con la Stella Azzurra in B2. L’esordio in Serie A avviene nel 2003 con la maglia della Benetton Treviso, squadra con cui vince lo Scudetto nella stagione 2005/2006 aggiudicandosi anche il premio come miglior giovane del Campionato. Nel 2006 vince anche il “Rising Star Trophy” come miglior giocatore Under 22 di Eurolega. Il 2006 è il suo anno migliore, visto che il 28 giugno, durante il Draft NBA, viene chiamato dai Toronto Raptors come prima scelta assoluta, cosa mai accaduta prima ad un giocatore italiano ed europeo. Con i Raptors, alla prima stagione, centra i playoff. Dopo 6 stagioni in Canada approda, nel 2013, ai New York Knicks. Dall'estate 2015 al febbraio 2016 gioca con i Brooklyn Nets per poi passare al Saski Baskonia in Spagna (luglio 2016/aprile 2017).

Viene chiamato il Mago. E’ un soprannome che gli ha dato il capitano della Benetton Riccardo Pittis quando Bargnani arrivò a Treviso nel 2003. Il suo career high in NBA è di 41 punti, messi a segno il 9 dicembre 2010 proprio contro i New York Knicks nella sconfitta dei suoi Raptors 113-110.