Docteur en Sciences religieuses (1976) puis docteur d'état en Théologie protestante (1985), André Birmelé a été professeur titulaire de la chaire de théologie systématique à l'Université de Strasbourg (1983-2014). Doyen de la faculté de Théologie protestante de 2001 à 2005, il a mis en place la réforme de l'enseignement et de la recherche de cette faculté dans le cadre du processus dit de Bologne. Cette réforme incluait l'instauration de cours en ligne pour les étudiants in absentia. Directeur de l'école doctorale de Théologie et sciences religieuses de 2006 à 2011, il a œuvré à la réforme des formations doctorales et coopéré au réseau européen Theodoc, un réseau qui coordonne toutes les formations doctorales francophones sans distinction des origines ecclésiales particulières.
Depuis 1975 André Birmelé est chercheur à l'institut œcuménique de Strasbourg, un institut qui coordonne au niveau mondial les dialogues doctrinaux entre Églises chrétiennes. Il poursuit cette activité jusqu'à ce jour. Ses recherches et ses publications se concentrent sur le domaine de la méthodologie œcuménique.
En matière d'évaluation, André Birmelé est ou a été membre des comités d'évaluation des facultés de théologie finlandaises, pays dont il est membre de l'académie des Sciences ainsi que de différentes facultés de théologie francophones de Suisse romande.