7 Mart 1908'de Roma'da doğdu. Mısır'da doğduğuna dair iddia da vardır. Annesi tanınmış bir terzi olan Marina Magnani idi. Babası ise bilinmiyor. Anne tarafından Dora, Maria, Rina, Olga ve İtalia isimli beş teyzesi olan Anna'nın Romano isimli bir de dayısı vardı.

Benito Mussolini yönetimi sırasında Ulusal Faşist Parti hakkında kaba şakalar yapmasıyla tanınırdı.

Anna doğduktan sonra Marina, Mısır'ın İskenderiye şehrine taşındı ve varlıklı bir Avusturyalı ile evlendi. Marina Birinci Dünya Savaşı'nın bitiminde Roma'ya döndü ve Anna'yı yalnızca birkaç ay kalacağı bir Fransız sörler mektebine yolladı. Anna okulu bırakıp piyano çalışmaya başladı ve bunu lise yıllarına kadar sürdürdü. Bu arada İskenderiye'ye annesini ziyarete gitti, ama onun tarafından sevilmediğini hissederek döndü. Büyükannesi ile yaşamaya devam etti.

Roma'ya döndüğünde oyunculuk okumaya karar verdi. 1927 Ocak ayında, Silvio d'Amico yönetimindeki Eleonora Duse Oyunculuk Okulu'na girdi. (Bu okul 1935'te Drama Sanatları Akademisi olmuştur.)

Okula başladığı ilk yıl Niccodemi Vergani Cimara toplululuğunda oyunculuk yapmaya başladı. 1928'de bu grupla birlikte Arjantin'e yapılan bir turneye katıldı.

1929 yılında grup dağıldı. Bu arada Anna çok sevdiği büyükannesini kaybetti. 1932'de okula birlikte başladığı oyuncu Paolo Stoppa ile birlikte Antonio Gandusio topluluğunda çalışmaya başladılar. Anna bu toplulukta dikkatleri üzerine çekti ve sinemada da çalışmaya başladı.

Anna Magnani'nin sinema kariyeri 1934'te Nunzio Malasomma'nın La cieca di Sorrento filmiyle başladı. 3 Ekim 1935'te yönetmen Goffredo Alessandrini ile evlendi. Evlendikten sonra oyunculuk kariyerini tam zamanlı olarak sürdürmeyi bırakıp kendini eşine adamayı tercih etti. Yine de filmlerde küçük roller almayı sürdürdü.

Birçok filmde hizmetçi ya da şarkıcı rollerinde yer aldıktan sonra dramatik rollerdeki yeteneğini göstermeyi başardı.

1941 yılında Vittorio De Sica'nın Teresa Venerdì filminde ikinci dereceden olmayan bir karakter olan Loretta Prima'yı oynama olanağı buldu. 29 Ekim 1942'de, genç oyuncu Massimo Serato ile ilişkisinden, tek oğlu olan Luca doğdu. Hamileliği sırasında eşinden boşandı. Oğlu Luca henüz 18 aylıkken çocuk felcine yakalandı ve kötürüm oldu. Uzun süre senatoryumda tedavi gördü. Magnani, yaşadığı trajedinin yanında, uzun süre kazancının çoğunu doktorlara ve hastanelere harcıyordu.

Dünya çapında üne ulaşması Yeni Gerçekçilik akımının manifesto filmi de sayılabilecek olan Roberto Rossellini'nin Roma, Açık Şehir (Roma Città Aperta) filmiyle oldu. Bu filmin çekimleri sırasında Rossellini ile büyük aşk yaşayan Magnani ideal erkeği bulduğuna dair demeçler verdi. Fakat gerek sanatsal tartışmalar, gerek kıskançlık kökenli kavgalar nedeniyle çalkantılı bir birliktelik sürdürdüler.[4] Ayrılmalarının ardından birbirlerini özellikle Yeni Gerçekçilik akımı bağlamında övmeye devam ettiler, ancak Rossellini Ingrid Bergman'a aşık olarak onunla evlendi.

1951'de senaryosunu Cesare Zavattini'nin yazdığı Luchino Visconti filmi Bellissima'da rol aldı. 21 Mart 1956'da, Daniel Mann'ın yönettiği La Rosa Tatuata filmiyle, Oscar Ödülü alan ilk İtalyan oyuncu oldu. Aynı filmle BAFTA en iyi kadın oyuncu ödülünü de aldı. Bu film daha önce Tennessee Williams tarafından yine Anna Magnani'nin Broadway'de oynaması için yazılmış aynı isimli bir tiyatro oyunu idi. Ancak Magnani, 1951 yılında sahnelenecek oyun için İngilizcesinin yeterli olmadığını gerekçe göstererek teklifi reddetti. 1955 yılında sinemaya uyarlandığında yapılan teklifte ise Magnani artık hazır olduğu yanıtını verdi. Bu süreç ona Akademi ödülünü getirdi.

1962 yılında Pier Paolo Pasolini'nin Mamma Roma filminde, önemli başrollerinden birinde yer aldı. Filmde, kendisinin ve çocuğunun karnını doyurabilmek için fahişelik yapmaya başlamak zorunda kalmış, oğlu gençlik çağına geldiğinde ise biraz para biriktirip fahişeliği bırakmayı hedefleyen bir kadını canlandırmıştı.

Anna Magnani 26 Eylül 1973'te Roma'da pankreas kanseri tedavisi gördüğü Mater Dei kliniğinde öldüğünde 65 yaşındaydı. Büyük kalabalık toplanan cenaze töreninin ardından, önce geçici olarak Roberto Rossellini aile mezarlığında tutuldu. Sonrasında Lazio'nun güneyinde, San Felice Circeo kasabasındaki Cimitero Comunale'ye defnedilmiştir.