Аннабелль Уоллис родилась в Оксфорде, Великобритания, но выросла в Португалии. Свободно владеет французским, португальским и испанским языками. Карьеру актрисы начала в 2002 году, участвуя в независимых кинопроектах. Её первой значительной работой стала роль Софи в болливудском фильме 2005 года «Как сердце подскажет».
В 2009 году актриса была приглашена на роль Джейн Сеймур в популярном телесериале канала Showtime «Тюдоры», после того как Анита Брием, исполнявшая прежде эту роль, покинула шоу по окончании второго сезона. Уоллис приняла участие в съёмках четырёх эпизодов третьего сезона.