Nipote di Richard Harris, Annabelle Wallis nasce a Oxford, nell'Oxfordshire, Inghilterra, Regno Unito, ma passa la maggior parte della sua infanzia in Portogallo, dove frequenta la Saint Dominic's International School. In Portogallo prende parte a diversi cortometraggi, prima di trasferirsi a Londra per perseguire la carriera cinematografica. In patria inizia a recitare in qualche spot pubblicitario, per poter poi frequentare una scuola di recitazione.
Nel 2009 l'attrice interpreta Jane Seymour nella terza stagione della fiction storica del canale ShowtimeI Tudors, al fianco di Jonathan Rhys Meyers[1]. Il ruolo le viene affidato in sostituzione di Anita Briem, che l'aveva abbandonato alla fine della seconda stagione. Annabelle torna nel ruolo di Jane Seymour nella scena di un sogno nella quarta e ultima stagione della serie, nel 2010. La sua presenza viene confermata dall'immagine promozionale della stagione, che la mostra assieme al resto del cast.
Nel 2010 Annabelle viene scelta per il cast di W.E., film diretto da Madonna. Nel 2011 è nel cast del film della ComicsX-Men - L'inizio, nel ruolo secondario di Amy, la ragazza dalle pupille di due distinti colori che Charles Xavier (James McAvoy) approccia al bar dell'università, in un tentativo di seduzione. Nel 2011 è nel cast della serie televisiva Pan Am, in cui interpreta Bridget Pierce, hostess britannica che vive una doppia vita, poiché al contempo è una spia per i servizi segreti britannici dell'MI6. La serie tuttavia ha breve durata, dal momento che viene cancellata al termine della prima stagione a causa dei bassi ascolti.[2] In seguito la Sony Pictures Television tratta con Amazon per produrre una seconda stagione da trasmettere sulla loro piattaforma di streaming Prime Video, tuttavia l'accordo non viene raggiunto e la serie viene cancellata definitivamente il 20 giugno successivo.
Dal 2018 entra a far parte del franchise di Star Trek, dando la voce a Zora, l'intelligenza artificiale che governa il computer della nave stellare USS Discovery NCC-1031 e, successivamente all'aggiornamento avvenuto nel 3189, NCC-1031-A. La prima apparizione dell'attrice come voce del personaggio avviene nella serie televisiva antologica Star Trek: Short Treks, nel secondo cortometraggio della prima stagione, Calypso. Nell'episodio, ambientato in un lontano futuro imprecisato, dopo che l'astronave è stata abbandonata nella galassia dal suo equipaggio, Zora viene inoltre interpretata "fisicamente", nella forma di ologramma, dall'attrice Sash Striga. Annabelle Wallis riprende il ruolo dell'AI della Discovery a partire dal 2020, nella serie televisiva Star Trek: Discovery, dal quarto episodio della terza stagioneNon ti scordar di me (Forget Me Not), quando l'intelligenza artificiale emerge per la prima volta, a causa dei dati della Sfera salvati nel computer dell'astronave.
Nel 2022 è testimonial per Cartier nello spot pubblicitario televisivo.[3]
Vita privata
Tra l'agosto 2015 e l'agosto 2017 la Wallis ha una relazione discontinua con il cantante britannico Chris Martin.[4] In quel periodo canta nella canzone Up&Up, traccia finale dell'album A Head Full of Dreams del gruppo di Martin, i Coldplay.[5] Dall'aprile 2018 al marzo 2022, la Wallis ha una relazione con l'attore statunitense Chris Pine, che, tra le altre cose, è noto per interpretare il capitano James T. Kirk nei film della Kelvin Timeline del franchise di Star Trek.[6][7][8]