На протяжении пяти лет, с 1904 по 1909, Андреев работал над памятником Н. В. Гоголю, ставшим не только настоящим шедевром монументального искусства, но и лучшим скульптурным изображением писателя и лучшей городской скульптурой в Москве. Памятник одновременно нарушал и утверждал традицию: трагизм фигуры самого писателя сочетался в нем с присущей Гоголю иронией и свободным соединением деталей (в барельефных фигурах гоголевских героев).

К 1913 относятся первые заметные работы Андреева как театрального художника («Клеопатра» Потемкина, театр «Летучая мышь»). Много лет сотрудничая с Московским художественным театром, он не только оформлял для него постановки, но делал и шутливые панно, карикатурные куклы и тому подобное. Проявил себя изобретательным художником-карикатуристом при оформлении театральных «капустников». Вместе с К. С. Станиславским разрабатывал новые, конструктивные и выразительные принципы оформления сценического пространства.

Андрееву принадлежит серия портретов театральных деятелей — скульптурные портреты В. И. Качалова, Ленского, В. И. Немировича-Данченко, Качалова в роли Гамлета и других; графические портреты А. А. Яблочкиной, Г. Н. Федотовой, Станиславского, А. И. Южина, А. В. Неждановой. После революции художник создавал декорации к спектаклям: «Каин» Дж. Г. Байрона (1920, МХАТ), «Ревизор» Н. В. Гоголя, «Дело» А. В. Сухово-Кобылина, «Человек, который смеется» по В. Гюго (1927, 1929, МХАТ 2-й). В своих работах Андреев умело и достоверно воссоздавал на сцене реальную среду действия.

После революции 1917 Андреев активно работал по плану монументальной пропаганды. В 1920 создал скульптуру для памятника Советской Конституции (прозванного в народе памятником, или обелиском, Свободы), установленного на месте снесенного памятника генералу М. Д. Скобелеву и одно время бывшего символом не только столицы, но и всего освобожденного государства (взорван в 1941, чудом сохранившаяся голова статуи хранится в Государственной Третьяковской галерее). Мощная динамичная композиция фигуры напоминала античную скульптуру, искусствоведы сравнивали ее с Никой Самофракийской. Созданные в 1918–1922 памятники А. И. Герцену, Н. П. Огареву и Дантону тяготеют к кубизму, но они проще по замыслу и не достигали психологической глубины, присущей памятнику Гоголю.

В 1921–1922 портретировал, как правило, с натуры деятелей политики и культуры, делегатов конгресса Коминтерна (М. Горького, Станиславского, М. А. Чехова, Ф. И. Шаляпина, А. В. Луначарского, И. В. Сталина).

Для первой Сельскохозяйственной выставки 1923 Андреев сделал скульптуры «Рабочий» и «Крестьянин».

К 1920-м относится и «Лениниана» — цикл из нескольких сотен портретов Ленина (от набросков с натуры до скульптурных произведений). Это был особый тип плакатно-парадного, весьма удобного для полиграфического размножения портрета. С одной стороны, образы Ленина здесь были официальны, в особенности графический портрет 1930–1932, впоследствии использованный для оформления партбилета; с другой — не лишены и жесткого объективизма (например, скульптура «Ленин-вождь» 1931–1932).

Цикл «Лениниана» (оба его направления — конкретно-бытовое и историческое) служил примером для работы всех советских художников последующих поколений, обращавшихся к этой теме, созданные Андреевым графические портреты Ленина долго еще копировались на огромных плакатах и панно во время праздничных парадов.

В поздний период творчества художнику, занимавшемуся «Ленинианой» до конца жизни, в других своих работах удалось уйти от стилизаторства. Он работал как театральный художник в Московском Художественном театре, экспериментировал с разными материалами — от гранита до поливной керамики (статуэтки женщин в национальных костюмах: мордовском, тульском, украинском), легко менял масштаб, одновременно выполняя надгробия (В. Я. Брюсова, К. А. Ясюнинского, Н. Л. Тарасова) и очень мелкую пластику и графику.

Последней законченной работой Андреева стал памятник А. Н. Островскому. Конкурс на него был объявлен в 1923, но только 27 мая 1929 памятник был установлен.

В последние годы жизни Андреев разработал эскизы памятников Т. Г. Шевченко в Харькове, А. И. Желябову в Ленинграде, два эскиза памятника В. И. Чапаеву в Самаре, два проекта памятника А. П. Чехову (не реализованы), был избран председателем Союза советских скульпторов. В числе его учеников — М. М. Герасимов, С. С. Алешин и многие другие.

Работы Андреева хранятся в ГТГ, ГРМ, а также в частных собраниях.