Amy Lou Adams nasceu em Vicenza, Veneto, na Itália, para os pais americanos Kathryn (Hicken) e Richard Kent Adams, um soldado norte-americano que estava na Caserma Ederle na Itália na época. Ela foi criada em uma família mórmon de sete filhos em Castle Rock, Colorado, e tem inglês, bem como quantidades menores de ascendência dinamarquesa, suíço-alemã e norueguesa.
Adams cantou no coral da escola na Douglas County High School e foi aprendiz de dançarina em uma companhia de dança local, com a ambição de se tornar uma bailarina. No entanto, ela trabalhou como recepcionista no The Gap e como uma anfitriã do Hooters para se sustentar antes de encontrar trabalho como dançarina no Boulder's Dinner Theatre e Country Dinner Playhouse em produções como "Brigadoon" e "A Chorus Line". Foi lá que ela foi flagrada por um diretor de um teatro de jantar em Minneapolis, que pediu a ela que se mudasse para Chanhassen, Minnesota, para um jantar regional mais teatral.
Amamentando um músculo que a impedia de dançar, ela estava livre para fazer um teste para uma parte em Drop Dead Gorgeous (1999), que estava filmando nas redondezas de Minnesota. Durante as filmagens, Kirstie Alley encorajou-a a mudar-se para Los Angeles, onde logo ganhou um papel na versão televisiva da Fox do filme, Cruel Intentions (1999), no papel desempenhado no filme de Sarah Michelle Gellar, "Kathryn Merteuil ". Apesar de três episódios foram filmados, a série conturbada nunca foi ao ar. Em vez disso, partes dos episódios foram reunidos e lançados como o direto para o vídeo Cruel Intentions 2 (2000). Depois de mais fracassos na televisão, ela conseguiu um papel importante em Catch Me If You Can (2002), jogando ao lado de Leonardo DiCaprio. Mas isso não forneceu a ruptura que ela poderia ter esperado, sem trabalho sendo oferecido por cerca de um ano. Ela finalmente retornou à televisão e se juntou à série de curta duração, Dr. Vegas (2004).
Seu papel no filme independente de baixo orçamento Junebug (2005) (que foi filmado em 21 dias) chamou sua atenção, incluindo uma indicação ao Oscar de Melhor Atriz Coadjuvante e outros prêmios. No ano seguinte, sua capacidade de parecer uma heroína animada da Disney a ajudou a ser escolhida entre cerca de 300 atrizes que fizeram o teste para o papel de "Giselle" no filme de animação / live action, Enchanted (2007), que seria provou ser seu principal papel de ruptura. Seu retrato vivaz, mas inocente, permitiu que ela usasse seus talentos de canto e dança. Sua performance recebeu uma indicação ao Globo de Ouro de Melhor Atriz em Filme Musical ou Comédia.
Adams apareceu em seguida na produção principal, Guerra de Charlie Wilson (2007), e passou a atuar no filme independente, Sunshine Cleaning (2008), que estreou no Festival de Cinema de Sundance de 2008. Seu papel como "Irmã James" em Dúvida (2008) lhe rendeu uma segunda indicação ao Oscar de Melhor Atriz Coadjuvante, bem como indicações para um Globo de Ouro, um prêmio do Screen Actors Guild e um prêmio da British Academy Film. Ela apareceu como Amelia Earhart em Night at the Museum: Battle of the Smithsonian (2009) e como conselheira de linha de pós-9/11, aspirante a escritora, cozinheira amadora e blogueira em Julie & Julia (2009). No início de 2010, ela estrelou com Jason Segel em The Muppets (2011), com Philip Seymour Hoffman em The Master (2012), de Paul Thomas Anderson, e ao lado de Clint Eastwood e Justin Timberlake em Trouble with the Curve (2012). Ela interpretou a repórter Lois Lane em Man of Steel (2013) e a artista vencedora Sydney Prosser em American Hustle (2013), antes de retratar a artista da vida real Margaret Keane no filme biográfico de Tim Burton, Big Eyes (2014).
Em 2016, ela reprisou seu papel como Lane em Batman v Superman: Amanhecer da Justiça (2016), e encabeçou o drama de ficção científica Chegada (2016) de Denis Villeneuve e o thriller sombrio de Tom Ford Nocturnal Animals (2016). Em 2018, ela recebeu outra indicação ao Oscar, sua sexta, para estrelar como Lynne Cheney no drama biográfico Vice (2018), ao lado de Christian Bale como Dick Cheney.
