Anna nasce a Roma nel 1908, figlia di una donna romagnola, Marina Magnani, e di un uomo di origine calabrese che non conobbe mai. Poco dopo la sua nascita la madre si trasferisce ad Alessandria d'Egitto e la bambina rimane a Roma affidata alla nonna e alle sue cinque zie. Frequenta il liceo e studia pianoforte. Nel 1927 si iscrive alla scuola di recitazione Eleonora Duse (che diventerà successivamente l'Accademia d'Arte Drammatica) presso l'Accademia di Santa Cecilia. Il suo soprannome è 'Nannarella'. Qualche anno dopo entra a far parte della compagnia teatrale diretta da Dario Niccodemi, e successivamente passa alla rivista con i fratelli De Rege. Anna prosegue la sua carriera artistica dividendo il palcoscenico con artisti quali Ave Ninchi e Gino Cervi. Nel 1934 esordisce nel cinema con una piccola parte in "La cieca di Sorrento" di Nunzio Malasomma. Nel 1935 sposa il regista Goffredo Alessandrini col quale recita in "Cavalleria" nel 1936. Fa teatro di rivista con Totò e nel 1941 Vittorio De Sica in "Teresa Venerdì " sa far emergere le sue capacità comico-satiriche. Nel 1942 lascia il marito, innamorata del giovane attore Massimo Serato, dal quale ha il figlio Luca con cui l'attrice avrà sempre un rapporto molto esclusivo. L'approdo al cinema avviene negli anni del fascismo, nel periodo dei cosiddetti Telefoni bianchi, in cui le donne sono in genere considerate alla stregua di soggetti marginali, e anche la Magnani dovrà adattarsi a ruoli che non mettono in piena valorizzazione il suo talento artistico; è il periodo di "Finalmente soli" (1942), "Campo de' fiori" e  "L'ultima carrozzella" con Aldo Fabrizi, "La vita è bella" del 1943. Nelle sue interpretazioni è talvolta una popolana istintiva, sempre scarmigliata, ed è con questo personaggio, dal nome Pina, che qualche anno dopo, nel 1945, raggiunge fama internazionale e riceve il suo primo Nastro d'argento con "Roma città aperta" di Roberto Rossellini; con il regista l'attrice si è legata sentimentalmente dopo aver interrotto la relazione con Massimo Serato. Il film la consacra come simbolo del nascente Neorealismo ed icona vivente di tutte le donne d'Italia, volitive e decise a combattere ogni sopruso, come più avanti mostrerà di essere il personaggio di Angelina, femminista ante litteram, in "L'onorevole Angelina" (1947) di Luigi Zampa. E' questo un periodo di feconda attività per l'attrice: "Abbasso la miseria" (1945) di Gennaro Righelli, "Il bandito" di Alberto Lattuada, "Avanti a lui tremava tutta Roma" di Carmine Gallone e "Un uomo ritorna" di Max Neufeld del 1946, "Molti sogni per le strade" (1948) di Mario Camerini. Sempre del '48 è l'ultimo film in cui è diretta da Rossellini: "L'amore". L'arrivo in Italia di Ingrid Bergman mette fine al loro sodalizio e, in guerra con la sua rivale, l'attrice gira "Vulcano" di William Dieterle, una sorta di antitesi spaziale e temporale a "Stromboli terra di Dio" che Bergman e Rossellini girano a pochi chilometri di distanza; è un episodio che passerà alla storia nel modo del Cinema con l'appellativo di 'La guerra dei vulcani'. L'attività dell'attrice continua: "Bellissima" (1951) e il IV episodio di "Siamo donne" (1953) di Luchino Visconti, "Camicie rosse" di Goffredo Alessandrini e "La carrozza d'oro" di Jean Renoir del 1952, "Suor Letizia" (1957) di Mario Camerini, "Nella città l'inferno" (1959) di Renato Castellani.

La notorietà di Anna Magnani è ormai internazionale e più volte viene chiamata a Hollywood per interpretare alcuni film. Ne realizzerà tre: "La rosa tatuata" (1955) di Daniel Mann che le vale il Premio Oscar 1956 quale migliore attrice protagonista; la Magnani non conosce nemmeno una parola di inglese e per recitare nel film riceve lezioni di lingua proprio dallo scrittore Tennessee Williams, autore del romanzo cui era ispirato il film omonimo; le lezioni durano il tempo della traversata atlantica, che a quel tempo si faceva in piroscafo; successivamente "Selvaggio è il vento" (1957) di George Cukor, Orso d'argento al Festival di Berlino, e "Pelle di serpente" (1959) di Sidney Lumet.

Nel 1960 in "Risate di gioia" di Mario Monicelli, la Magnani si ritrova a recitare insieme a Totò, suo vecchio amico, maestro e partner dei tempi dell'avanspettacolo. Nel 1962 Pier Paolo Pasolini le offre il ruolo da lei reso memorabile di "Mamma Roma". Messa un po' da parte dal cinema torna con successo a cimentarsi con la prosa in un adattamento teatrale de "La Lupa", dall' omonimo romanzo di Giovanni Verga. Nel 1963 gira "La pila della Peppa" di Claude Autant-Lara e nel 1969 "Il segreto di Santa Vittoria" di Stanley Kramer, al fianco di Anthony Quinn. Dopo qualche polemica per lo scarso utilizzo in patria di un'attrice di livello internazionale anche se un po' ingombrante, è la Rai nel 1970 ad offrirle l'interpretazione in quattro film di Alfredo Giannetti: "Correva l'anno di grazia 1870..." destinato alle sale cinematografiche e "La sciantosa", "1943: un incontro" e "L'automobile" per la TV. L'ultima apparizione in "Roma" (1972) di Federico Fellini, in cui viene assunta, dal regista, a simbolo vivente della città eterna. Muore di cancro a Roma nel 1973 assistita dal figlio Luca e da Roberto Rossellini.