Anna Maria Magnani néven 1908. március 7-én látta meg a napvilágot Rómában. Törvénytelen gyermek volt, anyja még csecsemőként magára hagyta, hogy megkeresse egyiptomi származású apját, és végül nagymamája nevelte fel Róma Trastevere nyomornegyedében. Pár hónapig járt egy francia apácák által vezetett bentlakásos iskolába, majd beiratkozott a Santa Cecilia konzervatóriumba, 1927-től az Eleonora Duse drámaművészeti iskola tanulója volt.
Színészi tapasztalatot az éjszakai klubokban való énekléssel szerzett, kipróbálta a vaudeville-t, és kísérleti színdarabokban is szerepelt. A filmvásznon 1934-ben debütált a La cieca di Sorrento című drámában. A következő évben férjhez ment Goffredo Alessandrini rendezőhöz, aki nem tisztelte művészetét, ráadásul nem is volt hozzá hűséges, így útjaik hamar szétváltak. 1940-ben találkozott a nála kilenc évvel fiatalabb Massimo Seratóval, tőle született meg 1942-ben fia. A második világháború alatt Toto revütársulatában lépett fel, itt fedezte fel Vittorio De Sica, aki Török Rezső Péntek Rézi című vígjátékának főszerepét bízta rá – ez volt az első és utolsó komikaszerepe a filmvásznon.
Pályafutásában a fordulatot 1945 jelentette, amikor Roberto Rossellini és Sergio Amidei úgy döntött, nem zárt stúdiókban, hanem eredeti helyszíneken forgatják a neorealizmus alapfilmjét, a Róma, nyílt várost. A főszerepet játszó Anna Magnani az új rendezői stílus szimbóluma lett, alakításáért 1946-ban az év legjobb külföldi színésznőjeként elnyerte az amerikai National Board of Review díját.