Покинутая на произвол судьбы сначала отцом, а потом и матерью, Анна Маньяни была воспитана родителями матери в трущобах Рима. Некоторое время она посещала школу драматического искусства, затем перебралась в Сан-Ремо, где выступала в ночных кафе и варьете с малопристойными песнями. Там она привлекла внимание кинорежиссёра Гоффредо Алессандрини, разглядевшего в Маньяни итальянскую Эдит Пиаф. С французской шансонье Маньяни сближал не только взрывной темперамент, но и отсутствие традиционных задатков актёрской красивости — она была полноватой и невысокого роста.

В 1938 году Маньяни сыграла княжну Тараканову в одноимённом фильме Марио Сольдати, однако наибольший успех долгое время сопутствовал ей на театральных подмостках. Появления в кино были эпизодическими; свою самую яркую довоенную роль она сыграла в «Терезе-Пятнице» начинающего Витторио де Сика (1940). После рождения сына от актёра Массимо Серрато актриса на год отошла от работы. Несмотря на её романы с другими мужчинами, брак с Алессандрини не распался до 1950 года. Сама она признавала, что «женщины вроде меня подчиняются только тем мужчинам, которые способны властвовать ими; я же никогда не встречала того, кто бы мог властвовать мной».

В 1945 году на Маньяни неожиданно обрушилась всемирная слава. В эпохальном фильме Роберто Росселлини «Рим — открытый город» она сыграла беременную вдову, трагически заканчивающую свою жизнь в занятом фашистами Риме. Сцена смерти её героини остаётся одним из величайших достижений в истории кинематографа. Зарубежных критиков в Маньяни особенно поразило отсутствие гламурности при вулканическом актерском темпераменте. Её стали наперебой приглашать в неореалистические кинопроекты, и вскоре она стала лицом итальянского кинематографа. Много споров вызвала её роль в «Любви» Росселини (1948), где она сыграла простодушную крестьянку, ставшую жертвой насилия со стороны проходимца, принятого ею за святого (его сыграл Феллини).

В фильмах конца 1940-х и начала 1950-х годов Анне Маньяни удалось воплотить широчайший спектр человеческих эмоций — от душевной муки и глубочайшего горя до бесшабашной комедии. Зачастую этот переход совершается в рамках одного фильма, как, например, в «Депутатке Анджелине» Луиджи Дзампы (1947). За главную роль в этой ленте она была удостоена первой премии Венецианского фестиваля. После разрыва отношений с Росселлини (который увлёкся Ингрид Бергман) актриса с успехом снималась у Висконти («Самая красивая», 1951) и Жана Ренуара («Золотая карета», 1953), причём последний провозгласил её величайшей актрисой, с которой ему довелось работать.

В середине 1950-х итальянский неореализм вступает в полосу кризиса, а к Маньяни начинают поступать заманчивые предложения с заокеанской «фабрики грёз». Полушутя актриса заявляет, что ей «до смерти надоели роли истеричных, крикливых представительниц рабочего класса». Драматург Теннесси Уильямс написал для неё пьесу «Татуированная роза», но Анна отказалась играть на Бродвее, ссылаясь на плохое знание английского. Тем не менее она согласилась сыграть в киноверсии пьесы, и эта работа принесла ей «Оскар» за лучшую женскую роль. В 1957 году Маньяни приняла предложение Джорджа Кьюкора и вернулась в Голливуд для съёмок в кинодраме «Дикий ветер», за которую вновь была номинирована на «Оскар». Среди её кинопартнёров тех лет — Джульетта Мазина, Марлон Брандо, Берт Ланкастер.

Среди поздних работ Анны Маньяни особняком стоит остросоциальная роль в «Маме Роме» (1962) Пазолини, которая прославила её в СССР. В нашей стране она гастролировала в 1965 году, а четыре года спустя снялась у Дзефирелли в «Волчице». В эти годы здоровье великой актрисы оставляло желать лучшего, у неё был диагностирован рак поджелудочной железы. Её последним фильмом стал «Рим» Феллини (1972).

Анна Маньяни скончалась 26 сентября 1973 году на 65 году жизни. Её похороны прошли при огромном стечении народа и стали событием национальной жизни. Похоронена она была в семейной усыпальнице Росселлини, с которым примирилась за несколько лет до смерти.