Hennes foreldre var skipsbygger og senatorWilson Lee Cannon og hans andre kone Mary Elizabeth Jump. Hennes mor fikk ytterligere to døtre etter Annie i tillegg til de fire barn som hennes mann hadde fra det første ekteskapet.
I 1890 ble hun rammet av skarlagensfeber og ble som en følge av dette i praksis helt døv.
Hun tilbrakte nesten hele sitt liv ved Harvard College Observatory, der hun var assistent fra 1897 til 1911, og deretter direktør for samlingen over astronomiske fotografier, hvor hun kartla stjerner. Hun klassifiserte over 350 000 stjerner og ble professor da hun var 70 år.