Nació en Oxford, pero poco después de cumplir un año su familia se trasladó a Cascais, Portugal donde creció practicando varios deportes, paintball y motocross.^[1]​ Asistió a la St. Dominic's International School (una escuela internacional con estudiantes de diferentes continentes) es por ello que habla con fluidez inglés (su lengua materna) y portugués. También domina español, francés y armenio en un nivel intermedio.

De niña hizo varios cortos en Portugal, hasta que se mudó a sus 18 años a la ciudad de Londres, Inglaterra. Comenzó a hacer apariciones en varios comerciales y a averiguar acerca de las escuelas dramáticas locales, hasta finalmente decidirse por encontrar su propio agente.^[2]​

Annabelle es sobrina del actor Richard Harris y prima de los actores Jared Harris, Jamie Harris y del director Damian Harris por su lado materno. Es pariente de la cantante y actriz de teatro Marie Lloyd, por su lado paterno,^[2]​ y tiene un hermano mayor llamado Francis que trabaja como creador para Familia Productions.

En 2011 comenzó a salir con el modelo James Rousseau,^[3]​ pero la relación terminó en 2013.

Desde agosto de 2015 hasta junio de 2017 fue novia del músico Chris Martin, vocalista de la banda Coldplay.^[4]​^[5]​

Desde abril del año 2018 es pareja del actor estadounidense Chris Pine.^[6]​^[7]​ En marzo del 2022 se confirmó que ya no están juntos.^[8]​

En 2005 Wallis apareció en un episodio de la serie Jericho y en la película de Bollywood Dil Jo Bhi Kahey.^[9]​ En los siguientes cuatro años actuó en varias películas, entre ellas Body of Lies con Leonardo DiCaprio y Steel Trap.

En 2009, ingresó al elenco de la tercera temporada de la serie The Tudors, donde interpretó durante cinco episodios a la reina Jane Seymour, la tercera esposa del rey Enrique VIII. Anteriormente, el personaje de Jane Seymour había sido interpretado por Anita Briem.^[10]​ Wallis regresó a la serie en el último episodio de la cuarta temporada.

En junio de 2011, actuó en W.E., donde tuvo el rol de Arabella Green. También personificó a Bridget Pierce, una agente de inteligencia inglesa encubierta como azafata, en la serie de la ABC Pan Am, sobre la era dorada de la famosa aerolínea estadounidense durante los años 60. Ese mismo año, interpretó a Amy en X-Men: primera generación.

En 2012, participó como imagen de Sara, en Snow White & the Huntsman, la esposa fallecida de Eric, el cazador (Chris Hemsworth). Ese mismo año apareció en el documental de su amigo y músico Jared Leto, Artifact.^[11]​

En 2013 se unió al elenco de la serie Peaky Blinders, como la camarera irlandesa Grace Burgess.^[12]​ Compuesta por los actores Cillian Murphy, Sam Neill y Helen McCrory, entre otros, la serie es aclamada por la crítica y el público.^[13]​ Ese papel es visto como un "momento decisivo" en la carrera de Annabelle.^[14]​

En 2014, interpretó a Muriel Wright, una joven que inspiró al autor Ian Fleming (Dominic Cooper) para crear a las chicas Bond, en los dos primero episodios de la miniserie Fleming: The Man Who Would Be Bond.^[15]​ También trabajó en The Musketeers, como la condesa Ninon De Larroque, una activista por los derechos de las mujeres. Antes de finalizar el año fue la protagonista de la cinta de terror Annabelle, dirigida por John R. Leonetti y producida por James Wan. La película es un éxito de audiencia y ocupa el segundo lugar en la taquilla estadounidense, pero no logra convencer a la crítica.^[16]​ Sin embargo, la actuación de Wallis fue aclamada y le valió una nominación a los MTV Movie & TV Awards 2015 en la categoría Best-Scared-As-S**t Performance.^[17]​ Su papel de Mia Form reapareció en Annabelle: Creation (2017).

En 2016 actuó en la cinta Grimsby, junto a Sacha Baron Cohen y Mark Strong.^[18]​ También protagonizó las películas Come and Find Me, con Aaron Paul, y Mine con Armie Hammer.

En 2017 formó parte de la película King Arthur: Legend of the Sword, dirigida por Guy Ritchie, en la cual personificó a la doncella Maggie.^[19]​ La película no logra convencer a la crítica.^[20]​ También ese año, protagonizó la película de acción y aventuras The Mummy, al lado de Tom Cruise, Russell Crowe y Sofia Boutella.^[21]​ Wallis realiza la mayoría de sus escenas de acción sin suplente.^[22]​ La película es un fracaso crítico y comercial y compromete el futuro del Dark Universe creado por Universal Pictures.^[23]​^[24]​

Desde 2018 es la embajadora de joyas de Cartier y rostro de su reloj Panthère de Cartier.^[25]​

En 2018, Wallis interpreta el papel femenino protagonista de la película de comedía Tag (!Tú la llevas!), al lado de una distribución masculina compuesta por Jon Hamm, Jeremy Renner, Ed Helms, Jake Johnson y Hannibal Buress.^[26]​ Ese mismo año se unió al universo Star Trek prestando su voz a Zora, una inteligencia artificial, en el segundo capítulo de la miniserie Star Trek: Short Treks creada por Alex Kurtzman (director de La momia).

En 2019, interpretó a Laurie Luhn, responsable de la reserva en Fox News y una de las principales víctimas de abuso sexual de Roger Ailes (interpretado por Russell Crowe) en la miniserie The Loudest Voice. La serie tanto como la actuación de Wallis fueron bien recibidos por el público y la crítica.^[27]​ También ese año, retomó su papel de Grace Burgess en la quinta temporada de Peaky Blinders. En 2019, se unió al thriller de ciencia ficción Warning, escrito y dirigido por Agata Alexander.^[28]​

En febrero de 2020 rodó la primera película de la directora francesa Camille Griffin, Silent Night, con Keira Knightley, Matthew Goode y Roman Griffin Davis.^[29]​ En junio de 2020, Wallis interpreta a Buttercup junto a su compañero Chris Pine, que interpreta a Westley, en la miniserie fantástica y cómica Home Movie: The Princess Bride, que rinde homenaje a la película The Princess Bride (1987). El proyecto ayuda a la asociación World Central Kitchen.^[30]​ Ese mismo año, protagoniza el thriller Cazador de silencio con Nikolaj Coster-Waldau y Hero Fiennes-Tiffin.^[31]​

En 2021, apareció en la película de ciencia ficción Boss Level de Joe Carnahan.^[32]​ Wallis protagonizó la película de terror Maligno, dirigida por James Wan.

Wallis es una feminista. En febrero de 2018, asistió al evento Letters Live organizado por Net-à-Porter en Los Ángeles donde leyó una carta de la sufragista Emmeline Pankhurst. El dinero recaudado fue donado a Women for Women International.^[33]​^[34]​

Habló en contra del Brexit y en junio de 2018 participó en la campaña #DontFuckMyFuture para concienciar a la juventud y que votaran en contra de la salida del Reino Unido de la Unión Europea.^[35]​

Wallis apoya a Save the Children y participó en la campaña Christmas Jumper en noviembre de 2018.^[36]​ Está afiliada a la ONG Help Refugees y su proyecto Choose Love el cual provee de ayuda humanitaria a refugiados alrededor del mundo y aboga por ellos. Asistió al lanzamiento de la tienda Choose Love en Los Ángeles, en diciembre de 2019.^[37]​ En septiembre de 2019 se unió al proyecto U.n.I (You & I) ("Tú y yo) para la UNICEF.^[38]​^[39]​

En abril de 2020, durante la pandemia por COVID-19 Wallis se alió con su amiga, la diseñadora de modas Georgia Hardinge, para recaudar fondos para la caridad Age UK.^[40]​ Junto a otras celebridades, Wallis se unió al movimiento #SaveWithStories en compañía de Save the Children y No Kid Hungry. El movimiento busca proveer diversión y educación a niños que se quedan en casa durante la pandemia. Las donaciones hechas a #SaveWithStories ayudarán a niños y familias más afectadas durante la crisis del COVID-19 alrededor del mundo proveyendo comida, acceso a fuentes educativas y bienes del hogar.^[41]​^[42]​

• Voz en la canción "Up & Up" del álbum A Head Full of Dreams, del grupo británico Coldplay.

•   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Annabelle Wallis.
• Annabelle Wallis en Internet Movie Database (en inglés).
• Annabelle Wallis en archive.org (en inglés)
• Annabelle Wallis en Rotten Tomatoes (en inglés)
• Noticias sobre Annabelle Wallis en Digital Spy Archivado el 21 de marzo de 2015 en Wayback Machine. (en inglés)
• Annabelle Wallis en TV.com Archivado el 24 de mayo de 2010 en Wayback Machine. (en inglés)