Quatrième d'une famille de sept enfants, Amy Adams vit ses premières années à Vicence en Italie avant de s'expatrier aux États-Unis, à Castle Rock dans le Colorado. Après le divorce de ses parents, elle suit sa mère jusqu'à Atlanta où elle étudie la danse (son ambition première est d'être une danseuse ballerine) et enchaîne les différents jobs. Repérée par un directeur de salles de spectacle, Amy Adams travaille alors au Chanhassen Dinner Theatres dans le Minnesota.

En 1999, elle décroche son premier rôle au cinéma dans la comédie Belles à mourir. Convaincue par Kirstie Alley, sa partenaire sur ce film, elle part tenter sa chance à Hollywood. Elle interprète un des personnages de Sexe Intentions 2 (2000), sorti directement à la vente. Amy Adams apparaît ensuite à la télévision (dans les séries Buffy contre les vampires et Smallville) avant de retrouver le cinéma grâce à Steven Spielberg et son film Arrête-moi si tu peux (2002). Ce personnage la fait remarquer et lui permet de décrocher des premiers rôles, aussi bien dans des films indépendants (The Last Run, 2004) que dans des films au budget plus conséquent (The Wedding Date).

Mais c'est son rôle dans le film Junebug (2005) de Phil Morrison qui lui offre une reconnaissance de la profession : elle est nommée pour la première fois aux Oscars et remporte notamment un Prix spécial du Jury au Festival de Sundance. Amy Adams change ensuite totalement de registre et double l'un des personnages du film d'animation Underdog, chien volant non identifié (2007) avant de jouer une princesse dans le conte enchanté Il était une fois, où elle décroche une première nomination pour les Golden Globes. Mais elle retrouve ensuite le monde des adultes et se retrouve impliquée dans La Guerre selon Charlie Wilson avec Tom Hanks, Julia Roberts et Philip Seymour Hoffman.

Toujours à la recherche de personnages différents les uns des autres, elle tourne dans le film dramatique Doute (2008) aux côtés de Meryl Streep, puis enchaîne avec le rôle de la première femme pilote à avoir survolé l'Atlantique dans La Nuit au musée 2 (2009). En 2010, elle fait partie du casting de Fighter de David O. Russell, dans le rôle de la petite amie de Mark Wahlberg. Elle se retrouve ensuite aux côtés de Clint Eastwood dans Une nouvelle chance (2012), côtoie à nouveau Philip Seymour Hoffman dans le film de Paul Thomas Anderson (The Master) avant de camper la journaliste Lois Lane dans le blockbuster Man of Steel.

Amy Adams retrouve David O. Russell pour les besoins du thriller American Bluff où elle livre une performance étonnante, récompensée par le Golden Globe de la Meilleure actrice dans un rôle principal. Elle incarne ensuite pour Tim Burton la surprenante Margaret Keane dans Big Eyes, qui revient sur l'une des plus grandes supercheries due l'histoire de l'art. En plus de retrouver son personnage de Lois Lane dans Batman V Superman : L'Aube de la Justice puis Justice League, l'actrice s'offre un Premier Contact avec les extraterrestres pour la caméra de Denis Villeneuve, puis se retrouve au coeur d'un thriller vertigineux avec Jake Gyllenhaal signé Tom Ford, Nocturnal Animals.