Nata in Italia da genitori statunitensi, dato che il padre all’epoca era un militare dello United States Army di stanza alla Caserma Ederle di Vicenza, Amy Adams proviene da una famiglia mormone composta da sette figli. Ha passato i primi anni della sua infanzia ad Aviano, per poi trasferirsi con la famiglia negli Stati Uniti all’età di nove anni e crescere a Castle Rock, in Colorado.
Debutta nel 1999 nel film Bella da morire, in seguito partecipa a serie televisive come Streghe, Buffy l’ammazzavampiri, That ’70s Show e Smallville. Nel 2000 recita in Cruel Intentions 2, mentre nel 2002 ottiene il suo primo ruolo di una certa importanza in Prova a prendermi di Steven Spielberg, accanto a Leonardo Di Caprio e Tom Hanks. In seguito prende parte a film come Un amore in prestito, Tenacious D e il destino del rock, La guerra di Charlie Wilson e Come d’incanto, con cui ha raggiunto il successo internazionale. In seguito è stata la protagonista del film Julie & Julia accanto a Meryl Streep.
Per i film Junebug, Il dubbio, The Fighter e The Master la Adams è stata candidata nel 2006, 2009, 2011 e 2013 all’Oscar come migliore attrice non protagonista.
Dal 24 giugno al 1º settembre 2012 ha preso parte alla produzione in scena a Central Park del musical di Stephen Sondheim Into the Woods, nel ruolo della moglie del panettiere. Nell’estate 2013 interpreta Lois Lane nel film L’uomo d’acciaio diretto da Zack Snyder. Nel dicembre dello stesso anno esce al cinema con il film American Hustle – L’apparenza inganna, grazie al quale vince un Golden Globe come miglior attrice in una commedia e viene candidata all’Oscar 2014 come migliore attrice protagonista.