Fameux sex-symbol aux cheveux roux, la Suédoise Ann-Margret (de son vrai nom Ann-Margret Olsson) débute dans son propre pays comme chanteuse et danseuse de cabaret avant de poursuivre sa carrière aux Etats-Unis, sous la houlette du producteur et acteur de comédies musicales George Burns.

En 1961, elle apparaît dans le dernier film de Frank Capra, Milliardaire pour un jour, avant de tenir des rôles plus importants dans des thrillers et des comédies musicales. Elle tient notamment la vedette de L'Amour en quatrième vitesse auprès d'Elvis Presley en 1964, puis seconde Steve McQueen dans Le Kid de Cincinnati en 1965.

Après une poignée de productions anodines tournées aux Etats-Unis comme en Europe, elle accepte ce qui restera comme l'un des grands rôles de sa vie. Dans la comédie mélancolique Ce plaisir qu'on dit charnel de Mike Nichols (1971), elle joue une femme libérée tournant autour de Jack Nicholson. Cette interprétation lui vaut une nomination à l'Oscar et accroît de manière certaine sa popularité. Néanmoins, Ann-Margret n'en profite que modérément, car une chute brutale lors d'un concert la cloue sur un lit d'hôpital, menaçant sa vie et la suite d'une carrière en plein essor.

Mais les années 1970 apportent alors leur lot de films psychédéliques, témoins de la contre-culture naissante, et Ann-Margret compte bien s'y s'engouffrer pour s'imposer comme l'incarnation de la femme libre.

Outre des rôles pour les Français Jacques Deray et Claude Chabrol, elle campe la mère dévergondée de Roger Daltrey dans l'adaptation par Ken Russell de l'opéra-rock des Who, Tommy (1975), et y gagne une seconde nomination à l'Oscar. Elle interprète ensuite une croqueuse de diamants nymphoname dans Mon Beau légionnaire (1977) de Marty Feldman ou encore la victime d'un psychopathe joué par Anthony Hopkins dans le film d'horreur Magic (1978).

Par la suite, elle obtiendra des rôles réguliers, dont ressortent quelques films marquants, comme le thriller Paiement cash de John Frankenheimer (1986) ou encore une nouvelle adaptation (télévisée) de la pièce de Tennessee Williams, Un Tramway nommé Désir, qui jouit d'une forte popularité aux Etats-Unis.

On a également pu la voir dans les deux comédies mettant en scène les vétérans Walter Matthau et Jack Lemmon, Les Grincheux (1993) et Les Grincheux 2 (1995), ainsi que dans le film d'Oliver Stone, L'Enfer du dimanche (1999), où elle campe la mère de Cameron Diaz.

Après avoir incarné Cendrillon dans la mini-série Le 10ème royaume, elle obtient un Emmy de la meilleure guest féminine dans un drama pour son apparition dans la série New York Unité spéciale (S11E18). Durant les années 2000, elle est demandée pour des comédies comme Les 2 font la "père", Super Noël 3, Lucky, mais aussi un film d'horreur (Memory), des comédies dramatiques (La Rupture, Papa) ou des comédies d'action (Braquage à l'ancienne, New York Taxi).

Infatiguable, à partir de 2018, elle apparaît à deux reprises dans la série Netflix La Méthode Kominsky aux côtés de Michael Douglas, mais aussi la comédie romantique Queen Bees.