Nato in un piccolo paese dell'Appennino toscano, giunge a Firenze poco più che ventenne e viene a contatto con i maestri del primo Quattrocento fiorentino, Masaccio, Donatello, Piero della Francesca e Domenico Veneziano, del quale è anche un probabile allievo. Da queste esperienze trae quell'interesse per la figura umana, per l'anatomia e per la resa volumetrica dello spazio che caratterizzano interamente la sua opera. Dopo un soggiorno a Venezia nel 1442, vive sempre a Firenze realizzando cicli a fresco in chiese e conventi, alcuni dei quali sono perduti. Su di lui ha a lungo pesato la fama di uomo crudele diffusa dal Vasari e definitivamente smentita solo alla fine del secolo scorso. La pittura di Andrea del Castagno, una delle figure più originali del Quattrocento fiorentino, è rimasta pressoché sconosciuta e i suoi affreschi per buona parte coperti da strati di intonaco fino all'Ottocento.

Prima opera a lui attribuita è una Crocefissione e santi, dipinta in Santa Maria Nuova poco dopo il suo arrivo a Firenze. Nel 1442 realizza nella Chiesa di San Zaccaria a Venezia il suo primo ciclo con Dio Padre e i quattro Evangelisti. Rientrato a Firenze fornisce i disegni per la vetrata con la Deposizione in Santa Maria del Fiore e pone mano al suo capolavoro, la decorazione del refettorio del convento di Sant'Apollonia con Crocifissione, Deposizione, Resurrezione e la superba Ultima Cena, piena espressione dello stile individuale di Andrea. Verso il 1450 realizza nella Villa Carducci di Legnaia la serie di affreschi di Gli uomini illustri, oggi staccata e conservata agli Uffizi. Trascorre gli ultimi anni della sua breve carriera lavorando a tre impegni principali: il ciclo lasciato incompiuto da Domenico Veneziano in Sant'Egidio, purtroppo oggi interamente scomparso; gli affreschi alla Santissima Annunziata, dove è riemersa la sola Trinità con San Girolamo; il celebre monumento equestre di Niccolò da Tolentino, affrescato nella chiesa di Santa Maria del Fiore.