Аннабелль Волліс народилася в Оксфорді, але виросла у Португалії, де вчилася в школі неподалік Лісабона. Її дядько — легендарний ірландський актор Річард Гарріс, двоюрідні брати Джаред також актор, а Деміан працює кінорежисером, рідний брат Френсіс пов'язаний з кіноіндустрією[2]. Вона переїхала в Лондон, щоб вивчати акторське мистецтво[3].
У 2005 Волліс дебютувала в боллівудській стрічці «Як серце покаже». Того ж року зіграла в одному епізоді американського серіалу «Єрихон». У 2008 вийшов у прокат шпигунський фільм Рідлі Скотта«Тіло брехні», в якому акторка виконала другорядну роль дівчини Гені (Марк Стронг). Згодом стало відомо, що акторка замінила Аніту Брієм у третьому сезоні серіалу «Тюдори»[5].
У фільмі 2011 року «Ми. Віримо у кохання» Аннабелль знімалась під керівництвом Мадонни. Через три роки вона виконала головну роль у стрічці жахів «Анабель». Перед тим з 2012 по 2013 Волліс грала Грейс Берджес у серіалі «Гострі картузи». У 2014 стало відомо, що Волліс буде виконувати одну із головних жіночих ролей у комедії «Брати з Ґрімзбі»[6]. У 2015 акторка була залучена в фільм-екшн «Меч помсти». На початку 2016 стало відомо, що Аннабелль отримала головну жіночу роль у фільмі «Мумія»[7]. У тому ж році за участю акторки вийшло дві стрічки: «Міна», «Знайди мене, якщо зможеш».