Nasce ad Alessandria d'Egitto il 7 marzo 1908.
Cominciò a recitare giovanissima, nel 1929 in rivista, fino a diventare primadonna accanto a Totò e nel teatro di prosa, ma fu attraverso il cinema che le permise di dare libero sfogo al suo temperamento, e a cui approda nel 1934, che conquistò la fama e i favori del pubblico internazionale.
Dopo gustose caratterizzazioni di Teresa Venerdì di Vittorio De Sica (1941), si impose al pubblico e alla critica con la straordinaria interpretazione di Roma città aperta di Rossellini (1945) con cui si meritò il primo dei cinque Nastri d'argento: L'onorevole Angelina nel 1947 di Zampa, Amore del 1948 di Rossellini, Bellissima nel 1951 di Visconti, Suor Letizia di Camerini nel 1956.
Negli anni '50 lavorò moltissimo sia in Italia, recitando in film come Il bandito di Lattuada nel 1946, Assunta Spina, Vulcano di Dieterle, Nella città l'inferno di Castellani del 1958, sia in Francia La carrozza di oro (1952) di Renoir, sia ad Hollywood La rosa tatuata di D. Mann, che le valse nel 1955 l'Oscar come miglior attrice protagonista, Selvaggio è il vento (1958) di Cukor e Pelle di serpente (1959) di Lumet.
Nel 1962 recitò, con la regia di Pasolini, nel film Mamma Roma.
Dopo un periodo di inattività tornò ancora a recitare in teatro nel La lupa di Verga nel 1965 con la regia di Zeffirelli e al cinema nel film di S. Kramer Il segreto di Santa Vittoria del 1968, lavorò anche per la televisione (La sciantosa 1943; Un incontro, 1970; L'automobile).
I personaggi caratterizzati da un temperamento focoso e passionale, ma capaci di toccanti e imprevedibili dolcezze le si addicevano in modo perfetto, anche se le ottime doti interpretative fecero si che potesse cimentarsi con successo anche in altri ruoli.
Anna Magnani muore a Roma nel 1973 a causa di una brutta malattia.