Anna Maria Mühe se narodila 23. července 1985 v hlavním městě Německa, Berlíně. Je z herecké rodiny, jejím otcem je herec Ulrich Mühe a matkou herečka Jenny Gröllmann. Narodila se jim rok po svatbě, která se konala v roce 1984 a jejich manželství vydrželo do roku 1990. Oba rodiče bohužel Anně Marii zemřeli a to těsně po sobě, matka v roce 2006 a otec o rok později. Zbyla jí ještě starší sestra Jeanne Gröllmann, která se narodila Ulrichovi a Jenny dlouho před jejich sňatkem v roce 1969. Stejně jako Anna Maria pracuje ve filmové branži, ovšem jako umělecká maskérka.
Prošla si hereckou průpravou, ale štěstí jí potkalo až v roce 2001, kdy ji v kavárně objevila režisérka Maria von Heland a nabídla ji hlavní roli v jejím dramatu HOLKY PŘI TOM NEPLÁČOU. Poté si prošla účinkováním v řadě seriálů jako: POLIZEIRUF 110 nebo TATORT. Větší pozornost diváků se jí vrátila až díky filmům U NÁS SI TYKÁME, MILÁČKU (2007) a LISTOPADOVÉ DÍTĚ (2008).
Od roku 2009 je tvoří pár spolu s režisérem Timonem Modersohnem, kterému v listopadu 2012 porodila dceru.