Ana Maria Magalhães nasceu em 21 de Janeiro de 1950. Seu primeiro trabalho de atriz no cinema foi um pequeno papel no filme francês Les amants de la mer, quando tinha 15 anos. Logo em seguida foi estudar teatro no Conservatório Nacional. Nos dois anos seguintes trabalhou em vários filmes, entre eles Garota de Ipanema, de Leon Hirszman. Fez cursos livres de teatro com os atores Nelson Xavier e Eugênio Kusnet, e participou do laboratório de preparação da montagem de O Rei da Vela com Luís Carlos Maciel e José Celso Martinez Correa. Estreou profissionalmente no Grupo Oficina, um dos mais importantes e revolucionários grupos teatrais do país.

No final dos anos 60 estudou no Instituto de Filosofia e Ciências Sociais – IFCS, onde pretendia se especializar em Antropologia e Política. Militou no movimento estudantil e presenciou a invasão do IFCS pela polícia. As dificuldades ocasionadas pelos constantes embates políticos na faculdade, com perseguição a alguns professores, levaram Ana Maria a abandonar o curso superior e se dedicar à carreira de atriz.

Em 1970 foi protagonista de Como era gostoso o meu francês, de Nelson Pereira dos Santos, um clássico do cinema brasileiro. Ana Maria atuou em 27 longas-metragens, tendo trabalhado com os mais importantes diretores brasileiros. Ao longo dos anos 70, entre outros filmes, atuou em Quando o carnaval chegar, de Cacá Diegues, Lúcio Flávio, o passageiro da agonia, de Hector Babenco, A Idade da Terra, de Glauber Rocha, Uirá – Um índio em busca de Deus, de Gustavo Dahl, Paranóia, de Antônio Calmon e Os sete gatinhos, de Neville d’Almeida.

Neste período participou também de algumas novelas na Rede Globo de Televisão, entre elas o mega-sucesso Gabriela, inspirada no livro de Jorge Amado e dirigida por Walter Avancini, e Saramandaia, de Dias Gomes. Participou também nos especiais Sarapalha, de Guimarães Rosa, dirigido por Roberto Santos e Quincas Berro d’Água, de Jorge Amado.

No início dos anos 80, logo depois de realizar um média em 16mm, dirigiu um documentário sobre Leila Diniz, Já que ninguém me tira prá dançar..., que se tornou o primeiro vídeo com produção independente a ser exibido pela televisão brasileira.

A visão inovadora que Ana Maria Magalhães imprimiu aos curtas que dirigiu contribuiu para a renovação do gênero e o sucesso obtido despertou a curiosidade do mercado externo para a produção nacional. Entre seus trabalhos no gênero destacam-se Assaltaram a gramática, o primeiro curta que teve um rock brasileiro como canção original, O bebê, exibido na Europa e no Brasil, e Les enfants de la samba (Mangueira do Amanhã), veiculado no Canal Plus de Paris e premiado com Menção Honrosa (Margarida de Prata) pela Conferência Nacional dos Bispos do Brasil (CNBB). Num dos períodos mais difíceis para o cinema brasileiro, realizou Final call, um dos episódios do longa Erotique, uma co-produção americana, chinesa, alemã e brasileira. Em 2002 dirigiu Lara, livre adaptação dos livros autobiográficos da atriz Odete Lara. Em 2005 realizou o vídeo-documentário Lembranças do Futuro.

Ana Maria recebeu três prêmios como atriz: o de revelação de atriz da Associação dos Críticos de Arte de São Paulo (APCA, 1972), por Como era gostoso o meu francês e Quando o carnaval chegar, e de melhor atriz do Festival de Cinema de Gramado (1975), por Uirá – Um índio em busca de Deus e o prêmio especial do júri do Festival de Cinema de Gramado (1980).

Como diretora foi premiada na Jornada de Curta Metragem de Salvador com o melhor filme experimental com Assaltaram a gramática (84), melhor direção no I Festival Nacional de Caxambu (84) com Assaltaram a gramática, melhor direção no II Festival Nacional de Caxambu (85) com Spray Jet, prêmio do Conselho Nacional dos Direitos da Mulher (87) com o vídeo Já que ninguém me tira pra dançar, prêmio especial do júri do Festival de Brasília com O bebê, Margarida de Prata da Conferência Nacional dos Bispos do Brasil (CNBB) com Mangueira do Amanhã, Urbanidade 2005, concedido pelo Instituto dos Arquitetos do Brasil – IAB com Lembranças do Futuro.

Seu último filme, o documentário de longa-metragem Reidy, A Construção da Utopia, ganhou o prêmio de melhor documentário de longa-metragem do Festival do Rio 2009 e o prêmio “Pólis” do Cine’Eco 2010 de Seia, Portugal.

Sua mais recente atuação como atriz foi no filme O estranho caso de Angélica, do aclamado diretor português Manoel de Oliveira, selecionado para a mostra Un Certain Regard no Festival de Cannes 2010.

Ana Maria é mãe três filhos (o primeiro com Nelson Pereira dos Santos e dois de seu casamento com Gustavo Dahl) e é avó de Joaquim Dahl.