Die in Berlin geborene Anna Maria Mühe ist die Tochter der Schauspieler Jenny Gröllmann und Ulrich Mühe. Nach der Scheidung der Eltern heiratete ihr Vater die Schauspielerin Susanne Lothar. Aus der ersten Ehe ihres Vaters hat Anna Maria Mühe zwei Halbbrüder, von denen Andreas Mühe Fotograf ist. Ihr Großvater Otto Gröllmann war Bühnenbildner. Es verwundert also wenig, dass auch sie den Beruf der Schauspielerin wählte. Diesen erlernte sie bei Sängerin Marianne Fischer-Kupfer und dessen Tochter Kristiane Kupfer.
Ihrer erste Rolle bekam Anna Maria Mühe, nachdem Regisseurin Maria von Heland sie in einem Café in Berlin entdeckt und zum Casting von "Große Mädchen weinen nicht" (2002) eingeladen hatte. Mit dem Film gab Anna Maria Mühe 2001 neben Karoline Herfurth ihr Schauspieldebüt. Danach konnte Anna Maria Mühe ihren Steckbrief mit zahlreichen Fernsehproduktionen wie "Polizeiruf 110", "Der Kriminalist" und "Tatort" spicken. Der Film "Novemberkind" (2008), in dem Anna Maria Mühe neben Ulrich Matthes die Hauptrolle übernahm, bekam mehrere Auszeichnungen. Im Folgejahr spielte Anna Maria Mühe in Julie Delpys Historiendrama "Die Gräfin" über eine ungarische Herrscherin, die im Blut von Jungfrauen gebadet haben soll.
Nach Hauptrollen in den Filmen "Alpha 0.7 - Der Feind in dir" (2010) und "In der Welt habt ihr Angst" (2011) wurde Anna Maria Mühe 2012 unter die europäischen "Shooting Stars 2012" gewählt. Seit dem Tod ihres Vaters ist die Schauspielerin die Schirmherrin des Musikfestivals "Grimmaer Liederflut".