Az akkor még gyermekcipőben járó repülésért rajongó ifjú a moszkvai birodalmi Műszaki Főiskolára iratkozott be. Már aviatikai tanulmányai közben megépítette a világ egyik első szélcsatornáját, és vitorlázó repülőgépeket barkácsolt. Életébe ekkor szólt bele először a politika: a titkosrendőrség azzal gyanúsította meg, hogy kapcsolatot tart a forradalmárokkal, ezért házi őrizetbe került, tanulmányait csak három év múlva folytathatta.
TU-134 (további fotókért kattintson a képre!)
1921-ben tervezte első repülőgépét, az ANT-1 "márkanév" nevének kezdőbetűiből állt össze. A következő évben alapította meg irodáját a Központi Aero- és Hidrodinamikai Intézet keretében, amely főként a Vörös Hadsereg számára dolgozott, de utasszállító gépekkel is foglalkozott. Törékeny egészsége dacára Tupoljev meghatározó szerepet játszott a kialakulóban lévő szovjet repülőgépgyártásban, kiharcolta például, hogy a tömegtermelés előtt teszteljék a gépeket, s ha csak lehetett, kerülte a külföldi technológiák alkalmazását. Irodájából, amelyet 1936-ban formálisan is önállósítottak, került ki a korszak legnagyobb bombázó gépe, az ANT-4, és az az ANT-25, amellyel 1937-ben Valerij Cskalov világszenzációt keltve átröpülte az Északi sarkot.
TU-154 (Még több Tupoljev a képre kattintva)
Karrierjét ismét a politika törte derékba: 1937-ben fasiszta szervezkedés vádjával letartóztatták és tízéves börtönbüntetésre ítélték. Mivel szakértelmére szükség volt, nem került a Gulágra, hanem szintén raboskodó kollégáival együtt a rács mögött folytathatta a munkát - a "Tupoljevka" tagjai csak 1944-ben szabadultak.
A háború után neki kellett megterveznie az amerikai B-29-es bombázók szovjet megfelelőjét, a Tu-4-et. Sztálin személyes parancsára nem egyénieskedhetett, hanem az utolsó csavarig azt a három repülő erődöt kellett lemásolnia, amely Japán bombázása után landolt Szibériában. Az ötvenes évek elején készült az első szovjet stratégiai bombázó, a nyilazott szárnyú Tu-16, majd az interkontinentális csapásmérésre is alkalmas, légcsavaros gázturbina hajtotta Tu-95 bombázó, az új generációs Tu-22 és Tu-160 bombázó.
Tupoljev rendszeresen elkészítette a harci gépek polgári változatát is, így lett a Tu-4-ből a Tu-70 utasszállító gép, a Tu-95 alapján pedig a világ második sugárhajtású gépe, a Tu-104. Ennek továbbfejlesztett változata, a Tu-114 már 800 kilométeres óránkénti sebesség elérésére volt képes. Tupoljev ekkor volt pályája csúcspontján, riválisait (Iljusin, Antonov, Jakovlev) Hruscsov hathatós támogatásának köszönhetően háttérbe tudta szorítani. Utolsó nagy vállalkozása 1968-ban fiával, Alekszejjel közösen a TU-144-es szuperszonikus utasszállító repülőgép kifejlesztése volt. A brit-francia Concorde vetélytársának szánt gép igazán soha nem lett sikeres, a szovjet légitársaság a magas üzemeltetési költségek és az állandó technikai gondok miatt sosem állította rendszerbe.
Tupoljev ezt már nem érte meg, 1972. december 23-án álmában halt meg. Élete során több mint száz gépet tervezett, amelyek 78 világcsúcsot állítottak fel, megkapta a vezérezredesi rangot és háromszor a Szocialista Munka Hőse címet.