Андрей Сергеев — воспитанник хоккейной школы нижнекамского «Нефтехимика».

Профессиональную карьеру начал в 2007 году в хоккейном клубе «Нефтехимик-2» — бывшем фарм-клубе «Нефтехимика». В сезоне 2008/09 выступал за «Нефтяник» в ВХЛ и получил звание серебряного призера Чемпионата мира среди юниорских команд в составе Юниорской сборной России.

В следующем сезоне Сергеев большую часть времени выступал за «Ариаду» из Волжска, а также клуб МХЛ «Реактор».

Сезон 2010/2011 ознаменовался переменами и блестящими достижениями хоккеиста. В феврале 2011 года Сергеев перешёл в систему ЦСКА и в составе армейцев забросил свою первую шайбу в КХЛ. Стремление двигаться вверх по карьерной лестнице принесло свои плоды: хоккеист завоевал золотую медаль первенства в составе Молодежной сборной России на чемпионате мира, выиграл золото Универсиады и стал обладателем Кубка Харламова, выступая за клуб «Красная Армия».

За следующие три сезона Сергеев стал лучшим новичком в основной команде ЦСКА, присоединился к хабаровскому «Амуру», вернулся в стан «армейцев», но в итоге перешел в систему Московского «Спартака». Однако хоккеист не успел надолго закрепиться у красно-белых и уже с июня 2014 года сменил три хоккейных клуба: петербургский СКА, Ханты-Мансийскую «Югру» и родной нижнекамский «Нефтехимик».

Перед началом сезона 2020/21 на счету Андрея Сергеева 464 проведенных матча и 124 набранных очка (30+94) в Чемпионате КХЛ.