Bumpus zatrudnił go do pomocy Jamesowi L. Clarkowi w przygotowaniu modeli w Departamencie Taksydermii.
W 1908 roku wziął udział w ekspedycji na Alaskę, gdzie badał walenie i inne morskie ssaki. Dzięki jego staraniom kolekcja waleni w AMNH stała się jedną z największych na świecie. W latach 1909–1910 był przyrodnikiem na statku USS „Albatross” podczas jego wyprawy do Holenderskich Indii Wschodnich, od 1911 do 1912 badał Koreę Północną, a w 1913 wziął udział w kolejnej ekspedycji na Alaskę.
W latach 1922–1930 przewodził serii ekspedycji paleontologicznych do Mongolii z ramienia Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej. Odkryto wówczas pierwsze znane jaja dinozaurów – zidentyfikowano je jako jaja protoceratopsa, jednak późniejsze badania wykazały, że w rzeczywistości należały do owiraptora. Odnaleziono także szczątki Paraceratherium (wówczas „Baluchiterium”) – największego lądowego ssaka oraz wielu gatunków dinozaurów oraz kości welociraptora. W 1930 był zmuszony opuścić placówki badawcze w Azji z powodu politycznej niestabilności w regionie, a także kłopotów finansowych wywołanych wielkim kryzysem. Uważa się, że to Andrews posłużył jako inspiracja dla postaci Indiany Jonesa. W 1934 roku został dyrektorem AMNH.