La Wallis nasce in Inghilterra ma trascorre la maggior parte della sua infanzia in Portogallo. Prima di trasferirsi a Londra partecipa a diversi cortometraggi, finchè nel 2009 viene scelta per interpretare Jane Seymour nella terza e quarta stagione della serie di successo I Tudors, con Jonathan Rhys Meyers.

Nel 2011 è nel cast del film diretto da Madonna W.E. - Edward e Wallis e nel 2014 è nella serie tv della BBC Peaky Blinders e nel cast dell'horror di John R. Leonetti Annabelle. Nel 2016 farà parte del cast della commedia Grimsby - Attenti a quell'altro al fianco di Sacha Baron Cohen e Penelope Cruz. La vedremo al cinema anche in Mine degli italiani Fabio Guaglione e Fabio Resinaro e nel 2017 sarà in King Arthur di Guy Ritchie.

Attrice britannica, molto conosciuta per il ruolo di Jane Seymour nella serie televisiva inglese I Tudors. Nipote di Richard Harris, Annabelle Wallis è nata in Inghilterra, ma ha passato la maggior parte della sua infanzia in Portogallo, dove ha frequentato la Saint Dominic's International School. In Portogallo ha partecipato a diversi cortometraggi prima di trasferirsi a Londra per perseguire la carriera cinematografica. In patria ha iniziato a recitare in qualche spot pubblicitario, per poter poi frequentare una scuola di recitazione.

Nel 2009 l'attrice ha interpretato Jane Seymour nella terza stagione della fiction storica I Tudors, insieme a Jonathan Rhys Meyers. Sostituì nel ruolo Anita Briem, che l'aveva abbandonato alla fine della seconda stagione. Annabelle tornò nel ruolo di Jane Seymour nella scena di un sogno nella quarta (e ultima) stagione della serie, nel 2010. Nel 2010 Annabelle è stata scelta per il cast di W.E., film diretto da Madonna.
Tra i lavori della Wallis ricordiamo True True Lie di Eric Styles (2006), Trappola d'acciaio di Luis Cámara (2007), Nessuna verità di Ridley Scott (2008), X-Men - L'inizio di Matthew Vaughn (2011), Annabelle di John Leonetti (2014), per cui ha avuto una nomination agli MTV Movie Awords per la Performance più Terrorizzante, Grimsby - Attenti a quell'altro di Louis Leterrier (2016) e Mine di Fabio Guaglione e Fabio Resinaro.
Nel 2017 vedremo Annabelle in King Arthur: Il potere della spada, film epico diretto da Guy Ritchie e scritto da Joby Harold, che vede Charlie Hunnam nel ruolo di Re Artù, e nel reboot de La Mummia, diretto da Alex Kurtzman, che la vede recitare al fianco di Tom Cruise e Russell Crowe.