Andreas Brandrud hadde bakgrunn i en konservativ, haugiansk legmannskultur, og det var med denne bakgrunn han valgte å studere teologi. Brandrud avla teologisk embetseksamen 1892 og praktisk-teologisk eksamen 1893. Deretter arbeidet han som lærer ved skoler i Kristiania samtidig som han drev vitenskapelige studier.
1895–96 fikk Brandrud mulighet til fordypende faglige studier ved utenlandske universiteter. Her møtte han den nyere vitenskapelige teologi, der historisk kritikk og åpenhet overfor den moderne kultur stod sentralt. Selv fremhevet Brandrud særlig betydningen av sine opphold hos professorene Reinhold Seeberg i Erlangen og Adolf von Harnack i Berlin. Inntrykkene fra disse to og fra 1890-årenes nestor ved Det teologiske fakultet, Fredrik Petersen, bidrog – med Brandruds egne ord – til “at føre mig bort fra det ortodokse livssyn, som var blit mig indpodet gjennem opdragelse og studium”.
Sommeren 1896 ble han ansatt som arkivassistent ved Riksarkivet i Kristiania. Høsten 1897 deltok han i konkurransen om et professorat i kirkehistorie ved universitetet i Kristiania, et embete han ble utnevnt til 18. desember samme år og innehadde til 1938. Han hadde studieopphold i Tyskland, Italia, Danmark og Storbritannia. Han var dekanus ved Det teologiske fakultet 1909–13 og 1923–25.
Som kirkehistoriker foreleste Brandrud over både allmenn og norsk kirkehistorie. Denne undervisningen resulterte i to helhetsfremstillinger, Kirkens historie i kort fremstilling og Den kristne kirkes historie. Som forsker hadde Brandrud norsk kirkehistorie etter reformasjonen som sitt spesialområde. Hans første publiserte arbeid var studien Klosterlasse fra 1895, der han på grunnlag av et stort kildemateriale belyste den katolske motreformasjonens arbeid i Norden. Han forestod deretter på offentlig oppdrag utgivelsen av Stavanger domkapitels protokol 1571–1630. 1917 markerte han reformasjonsjubileet med en studie over Oslo-biskopen Jens Nilssøn. Han publiserte også enkelte studier og oversikter over norsk teologi på 1800-tallet, og han var medarbeider i Kirkeleksikon for Norden (1900–29) og 1. utgave av Norsk biografisk leksikon fra 1921. Brandruds faglige styrke var hans metodisk sikre arbeid med originalkilder og hans evne til å formidle kildekritiske synspunkter på den kirkelige og dogmehistoriske utvikling. Hans egen vitenskapelige produksjon var imidlertid av beskjedent omfang, og den ble stort sett til i hans yngre år.
Brandrud tilhørte den liberale majoritetsfløy ved Universitetets teologiske fakultet under de omfattende teologiske og kirkelige konflikter som preget Den norske kirke i 1900-tallets to–tre første tiår. Konflikten ble åpen og offentlig i forbindelse med "professorstriden" 1904–06, som endte med at konservative grupper 1907 opprettet et alternativt teologisk fakultet – Menighetsfakultetet. Med sentrum i de gjenværende professorer ved Universitetets teologiske fakultet ble det gjennomført flere tiltak for å forsvare bredden og liberaliteten i teologien og kirken. Brandrud var aktivt engasjert i mange av disse tiltakene, ikke minst som medredaktør av Norsk Kirkeblad 1907–13 og som forfatter av debattinnlegg i bøker og blader. Kulturelt stod han den frilynte bevegelse nær med sin interesse for nasjonal selvstendighet, norskdom og friluftsliv.
Brandrud var innehaver av den svenske Nordstjärneorden, medlem av Videnskabsselskabet i Kristiania (nå Det norske Videnskaps-Akademi) fra 1898 og fra 1918 æresdoktor i teologi ved Lunds Universitet.