Anna Maria Mühe, geboren 1985 in Berlin als Tochter der Schauspieler Ulrich Mühe und Jenny Gröllmann, wurde von der Regisseurin Maria von Heland in einer Berliner Bar entdeckt. Sie erhielt Schauspielunterricht bei Kristine Kupfer und hatte ihr Kinodebüt mit Helands Drama "Große Mädchen weinen nicht" – wofür sie prompt mit dem Preis für die beste weibliche Hauptrolle auf dem Filmfest von Las Palmas ausgezeichnet wurde. 2003 verkörperte sie in Achim von Borries' Drama "Was nützt die Liebe in Gedanken" über die "Steglitzer Schülertragödie" von 1927 an der Seite von Daniel Brühl und August Diehl die Schülerin Hilde Scheller, die durch ihr freies Liebesleben eine Tragödie auslöst. Auch für diese Rolle wurde sie ausgezeichnet: 2004 erhielt sie auf dem Kopenhagener Filmfest den Preis als beste Darstellerin.

In der folgenden Zeit spielte sie verschiedene Rollen in Fernsehprojekten, beispielweise in einer Episode der Serie "SOKO Leipzig", in einem "Tatort" ("Verraten und verkauft" – Regie: Peter F. Bringmann) und im Dokudrama "Die letzte Schlacht". Im TV-Film "Delphinsommer" brillierte sie als Tochter von Mitgliedern einer strengen Sekte, die aus ihrem rigiden Umfeld ausbrechen will; auch für ihre Rolle in Maris Pfeiffers "Meine böse Freundin" wurde sie hoch gelobt. Auf der Leinwand war sie neben Auftritten in Filmen wie "Der Lebensversicherer" und "Wir sagen Du! Schatz" in Ed Herzogs Drama "Schwesterherz" an der Seite Heike Makatschs zu sehen. In Christian Schwochows "Novemberkind" spielte sie an der Seite von Ulrich Matthes eine junge Frau auf der Spuren ihrer totgeglaubten Mutter. Diese Rolle brachte ihr nicht nur den Nachwuchsdarstellerpreis des Filmkunstfest Mecklenburg-Vorpommern ein, sondern auch eine Nominierung zum Deutschen Filmpreis als Beste Hauptdarstellerin.

Nach Nebenrollen in Kinofilmen wie Til Schweigers "1 ½ Ritter – Auf der Suche nach der hinreißenden Herzelinde" (2008), Julie Delpys "Die Gräfin" (2009) und Alain Gsponers "Lila, Lila" (2009) sah man Mühe in der Kinosaison 2010/2011 in gleich zwei Kinohauptrollen: In "Live Stream" verkörperte sie eine suizidale Studentin, und in Hans W. Geissendörfers "In der Welt habt ihr Angst" (Start: März 2011) eine Musikstudentin, die ihrem Freund aus Liebe in die Heroinsucht folgt. Ebenfalls 2011 hatte sie eine Nebenrolle in Schwochows Psychodrama "Die Unsichtbare" und eine Hauptrolle in dem Fernsehspiel "Im falschen Leben", als Studentin, deren Baby nach der Geburt im Krankenhaus vertauscht wurde.

2012 wurde Anna Maria Mühe unter die European Shooting Stars gewählt und spielte die Hauptrolle in dem ZDF-Zweiteiler "Deckname Luna": eine Doppelagentin im Kalten Krieg. Nach einem kleineren Auftritt als Pflegerin in einem Seniorenheim in der Tragikomödie "Bis zum Horizont, dann links!" (2012) sowie mehreren Seriengastrollen gehörte Mühe als frustrierte Ehefrau eines spießigen Bankberaters zum Ensemble von Peter Thorwarths Komödie "Nicht mein Tag" (2013).

Auch in den folgenden Jahren blieb Anna Maria Mühe eine der vielbeschäftigten Schauspielerinnen der deutschen Film- und Fernsehlandschaft. So zeigte sie sich in Vivian Naefes Körpertausch-Komödie "Seitenwechsel" (2016) von ihrer komödiantischen Seite als Fußball-PR-Frau. Im TV-Film "Die Täter - Heute ist nicht alle Tage" (2015/2016) verkörpert sie unter der Regie von Christian Schwochow die NSU-Terroristin Beate Zschäpe, eine Rolle, die sie im selben Jahr auch in "Die Ermittler - Nur für den Dienstgebrauch" aufnahm. Beide Produktionen, entstanden als Teil einer von der ARD in Auftrag gegebenen Trilogie, die die Entstehungsgeschichte und Verbrechen der Terrororganisation NSU beleuchtet.

Ein Jahr später sieht man Mühe auf der Kinoleinwand als Psychologin einer Gruppe von Schüler*innen in einem abgeschotteten Hochleistungscamp in Alain Gsponers vielbeachteter Ödön von Horvath-Verfilmung "Jugend ohne Gott".

Zentrale Rollen übernahm Anna Maria Mühe zwischen 2016 und 2019 im Fernsehen unter anderem als Ermittlerin Nora Weiss in der Krimiserie "Solo für Weiss" und als alkoholkranke Sozialhilfeempfängerin in der in der Berliner Unterwelt angesiedelten Streaming-Serie "Dogs of Berlin". In der sechsteiligen Serie "Die Neue Zeit", die sich mit den Gründerjahren des Staatlichen Bauhauses in Weimar befasst, verkörpert sie unter der Regie Lars Kraumes eine fiktionalisierte Version der Bauhaus-Studentin, Malerin und Künsterlin Dörte Helm.

2019 stand Mühe erneut für einen Kinofilm vor der Kamera: im Kinderfilm "Lassie - Eine abenteuerliche Reise" spielt sie die Mutter des jungen Titelhelden Flo, der sich auf die Suche nach seiner Hündin Lassie macht. In einer Hauptrolle als Tochter von Katja Riemanns Figur im Wirtschaftwunder-TV-Mehrteiler "Unsere wunderbaren Jahre" war sie im März 2020 in der ARD zu sehen. Ebenfalls im März 2020 begannen die Dreharbeiten für Marie Noëlles "Heinrich Vogeler", einer Filmbiografie über den gleichnamigen Jugendstilmaler und wegweisender Bewohner der Künstlerkolonie Worpswede, in der sie die Ehefrau Vogelers verkörpert, die er auf mehreren seiner Gemälde porträtiert hat.

Erneut unter der Regie Lars Kraumes hatte sie in dem TV-Drama "Playing God" eine Hauptrolle als Hausärztin eines Seniors (Matthias Habich), der seinem Leben mit ihrer Hilfe ein Ende setzen möchte. In der sechsteiligen Streaming-Serie "Totenfrau" (2022) spielte Mühe die Titelrolle einer Bestatterin, die den Mord an ihrem Ehemann rächt. 2023 folgte die zweite Staffel der Familiensaga "Unsere wunderbaren Jahre". Außerdem spielte Mühe weiterhin die Titelrolle in der Krimireihe "Solo für Weiss". Für ihre Kino-Hauptrolle in der Vater-Tochter-Geschichte "Die Geschichte einer Familie" (2022) wurde Anna Maria Mühe 2023 mit dem Bayerischen Filmpreis ausgezeichnet.