Fill de l’enginyer Andrej Tupolev, un dels pioners de l’aeronàutica soviètica, estudià a l’Institut d’Aviació de Moscou abans d’entrar a col·laborar en l’empresa aeronàutica on treballava el seu pare (anomenada actualment Tupolev), que construïa els Tu-134 i Tu-135, encara avui els principals avions de passatgers als països de l’antiga Unió Soviètica. També fou membre del Soviet Suprem (1974-89) i diputat (1989), i rebé les principals distincions del règim soviètic.
Dissenyà el primer avió supersònic de passatgers, el Tu-144, que féu el primer vol al desembre del 1968, dos mesos abans que el Concorde francès. El Tu-144 deixà de volar després de patir dos greus accidents els anys 1973 i 1974. També dissenyà el transbordador espacial soviètic Buran, que realitzà un únic viatge, l’any 1988, a més de diversos avions militars com el bombarder Tu-160, el primer en la seva categoria capaç de superar la velocitat del so.