Diplomata alla scuola di recitazione dell'Accademia di S. Cecilia a Roma, approda in giovanissima età al teatro di prosa. Dal 1929 al 1932 è diretta da Dario Niccodemi e lavora con la compagnia di Vera Vergani e Luigi Cimarra. Successivamente passa alla compagnia di Antonio Gandusio. Nel 1934 si dedica al teatro di rivista, prima accanto ai fratelli De Rege mettendo in scena spettacoli come I Milioni e Non so se rendo l'idea, poi dal 1941 accanto a Totò, con il quale crea duetti teatrali di grandissimo successo, frutto dell'incontro perfetto tra la sua personalità aggressiva e pungente e la comicità trascinante del comico napoletano.

Dopo una serie di apparizioni minori, nel 1941 si presenta l'occasione del primo ruolo cinematografico di rilievo: Vittorio De Sica la chiama per interpretare la soubrette di Teresa Venerdì . In questo film la Magnani propone sullo schermo quel tipo di soubrette romanesca, popolana e sfrontata che ha già interpretato in teatro. Alla fine della guerra, si dedica ad una rivista più legata a contenuti d'attualità e satira politica: lavora per Garinei e Giovannini in Cantachiaro e Cantachiaro n°2, rispettivamente del 1944 e del 1945, accanto a Gino Cervi. Questi anni segnano il suo ritorno alla prosa con testi che mettono in luce la sua maturità scenica e il suo personaggio forte: Carmen (1944), Anna Christie di O'Neill (1945), Maya di Gantillion (1946). L'esperienza teatrale però si chiude rapidamente e sporadici saranno i ritorni della Magnani sulle scene: tra questi vanno ricordate le sue interpretazioni de La Lupa di Verga diretta da Franco Zeffirelli nel 1965, e della Medea di Anouilh firmata da Giancarlo Menotti nel 1966.

La discontinua partecipazione teatrale si giustifica con la sempre più massiccia presenza sugli schermi. Escono due film che otterranno un grande successo, interpretati in coppia con Aldo Fabrizi: Campo de' Fiori del 1943 e L'ultima carrozzella del 1944. La nascita di un figlio non le permette di raccogliere la grande occasione offertale da Luchino Visconti che l'avrebbe voluta in Ossessione, ma la Magnani si rifà prestissimo con l'interpretazione di Pina in Roma città aperta di Roberto Rossellini, film del 1945 di importanza capitale nella storia del cinema italiano, che apre la strada al movimento neorealista e la vede protagonista di una delle sequenze più celebri della storia del cinema, la corsa mortale dietro il camion tedesco che le porta via il marito.

Le sue doti drammatiche non prive di una vena comica tagliente, emergono in film di importanza diseguale: L'onorevole Angelina di Luigi Zampa (1947), Amore di Rossellini (1948), Assunta Spina di Mario Mattoli (1949), Bellissima di Visconti (1951), La carrozza d'oro di Jean Renoir (1952). L'affermarsi nel panorama cinematografico italiano del tipo di bellezza "maggiorata", tipo dal quale la Magnani è lontana, la induce a lasciare Cinecittà e accettare il ruolo di protagonista nell'hollywoodiano The Rose Tatoo di Daniel Mann (1955): l'interpretazione di questo film le vale l'Oscar.

Conclusa l'esperienza americana lascia ancora due grandi interpretazioni: la carcerata Egle in Nella città, l'inferno (1959) diretta da Castellani al fianco di Giulietta Masina e Mamma Roma (1962) di Pier Paolo Pasolini. Da questo momento comincia una lunga parentesi di inattività, interrotta solo dalla partecipazione a quattro mediometraggi per la televisione girati da Alfredo Giannetti nel 1972 e, sempre nello stesso anno, una breve apparizione nel film Roma, di Federico Fellini, dove interpreta se stessa .

Nel suo libro, La Magnani. Il romanzo di una vita (Milano, Rizzoli, 1982), Patrizia Carrano dice: "Anna invadeva lo schermo ed i cuori: un volto asciutto, scavato, una figura minuta e una grande passione, un gran fuoco, una vitalità prorompente nel portamento, intrepida, armata di un umorismo scarnificante e che sta dalla parte giusta per istinto, per adesione naturale".