Cresciuta in America, nell'Illinois, frequentò per un anno la Northwestern University prima di diventare cantante di night-club. Nel 1961 recitò per la prima volta davanti a una macchina da presa, in una particina di Pocketful of Miracles e un anno dopo interpretò Ciao, ciao Birdie, di G. Sidney. Interpretò inoltre Mentre Adamo dorme di J. Negulesco, 1964; La gatta con la frusta, 1964; Febbre sulla città, Cincinnati Kid, Gli uomini della grande pianura, La ragazza made in Paris,tutti del 1965; I nove di Drytolk City, 1966. A metà degli anni 60 era considerata tra le 10 attrici meglio pagate di Hollywood soprattutto per la sua avvenenza fisica, i suoi ruoli sexy che pagavano assai bene al botteghino. In realtà era un'attrice con molto talento recitativo che finalmente ebbe riconosciuto con la nomination all'Oscar per Conoscenza carnale (1971) e Tommy (1975) che trasformò la sua immagine da "gattina sexy" a quella di attrice brillante e talentuosa. Dopo un gravissimo incidente che bloccò la sua attività per alcuni anni, la sua carriera continuò intensamente per un altro trentennio lavorando con Walter Matthau, Gene Hackman, Glenda Jackson e Roy Scheider. Senza aver perduto la sua avvenenza con il passare degli la Ann-Margret è comparsa nel ruolo di una matura signora oggetto del desiderio di due arzilli pensionati interpretati da Jack Lemmon e Walter Matthau in Due irresistibili brontoloni di Donald Petrie.