Sie wurde 2001 im Alter von 15 Jahren von der Regisseurin Maria von Heland in einem Berliner American Diner angesprochen und zu einem Casting eingeladen, bei dem es um die Hauptrolle in Große Mädchen weinen nicht ging. Sie spielte in dem Film die Kati, die zusammen mit ihrer besten Freundin Steffi (Karoline Herfurth) das Erwachsenwerden meistern muss. Wenig später erhielt sie ihre künstlerische Ausbildung bei Marianne Fischer-Kupfer und deren Tochter Kristiane Kupfer (Schauspiel). Jede ihrer Rollen erarbeitet sie jeweils individuell in einem persönlichen Schauspiel-Coaching.
Wir freuen uns, Anna Maria Mühe mit dem Askania Award 2024 zu ehren
In Jobst Oetzmanns Delphinsommer verkörperte sie die Hauptrolle Nathalie Wagner, die in eine Religionsgemeinschaft hineinwächst und diese durch äußere Einflüsse in Frage stellt. In dem Filmdrama Was nützt die Liebe in Gedanken nach der Steglitzer Schülertrag die 1927 spielte sie, an der Seite von Daniel Brühl, die kleine Schwester Hilde Scheller des 19-jährigen Oberschülers Günther Scheller (August Diehl). Sie erhielt für diese Rolle den Goldenen Schwan beim Copenhagen International Film Festival als „Beste Darstellerin“. Für den Soundtrack zu dem Film nahm sie mit Daniel Brühl den Song Die Liebe In Gedanken auf und sang als Solistin das Lied An Die Liebe ein. Neben Ulrich Matthes spielte sie die weibliche Hauptrolle in dem vielfach prämierten Kinofilm Novemberkind der sich mit Spuren der Teilung Deutschlands in den vorgestellten Einzelschicksalen befasst. In Julie Delpys Historienfilm Die Gräfin, die das Leben der ungarischen Gräfin Elisabeth Báthory nachzeichnet, übernahm sie die Rolle der Bertha. In Bernd Böhlichs Filmkomödie Bis zum Horizont, dann links! spielte sie die Rolle der Bewegungstherapieschwester Amelie, die ungefragt gemeinsam mit den von ihr betreuten Senioren bei einem kurzen Rundflug durch den unzufriedenen Klienten Eckehardt Tiedgen (Otto Sander) entführt wird. In der Romanverfilmung Nicht mein Tag verkörperte sie Miriam Reiners, die Frau des frustrierten Bankangestellten Till Reiners (Axel Stein), der seine Arbeit und seine Ehe in Frage stellt In der Tragikomödie Mein Blind Date mit dem Leben spielte sie die Rolle der alleinerziehenden Laura, die den blinden Deutsch-Singhalesen Saliya Kahawatte kennenlernt und sich schließlich in diesen verliebt. Und dies waren nur ihre zahlreichen Kinorollen der letzten 15 Jahre.
Im Jahr 2006 erhielt sie unter anderem die Goldene Kamera als beste Nachwuchsschauspielerin, im Jahr 2007 den Undine Award für Meine böse Freundin (Beste jugendliche Darstellerin in einem Fernsehfilm), 2016 den Bambi in der Kategorie „Schauspielerin National“ und 2023 den Bayerischen Filmpreis in der Kategorie Beste Darstellerin für Die Geschichte einer Familie.