Dopo aver preso lezioni di danza e di recitazione, Anne nel 1948 entra nella NYC's American Academy of Dramatic Arts e prende il nome d'arte di Anne Marno. In seguito prenderà il cognome Bancroft dietro suggerimento del produttore Darril Zanuck. Si dedica al teatro e intanto fa la sua prima apparizione in televisione nel 1950 in un serial televisivo. Dal 1954 inizia a lavorare per il cinema in ruoli minori finché interpreta, nel 1962 il personaggio di Annie Sullivan, in "Anna dei miracoli", per il quale riceve l'Oscar come migliore attrice protagonista. Nel 1964 gira "Frenesia del piacere" e lo stesso anno sposa l'attore e regista Mel Brooks. Nel 1967 il regista Mike Nichols la sceglie a fianco di Dustin Hoffmann per il ruolo di Mrs Robinson in "Il laureato" che le procura la nomination all'Oscar e un meritato successo. Interpreta molti film, i più famosi sono "Due vite, una svolta" (1977), "The Elephant Man" (1980), "Essere o non essere" (1983) con il marito Mel Brooks, "Agnese di Dio" (1985). Nel 1980 con il film "Fatso", scritto e interpretato da lei stessa, debutta dietro la macchina da presa dopo essersi perfezionata nella regia all'American Film Institute. Negli anni '90 continua a recitare, ma le vengono affidati ruoli per lo più secondari. Tra gli ultimi film cui ha preso parte: "Soldato Jane"(1997), "Paradiso perduto" (1998), "Tentazioni d'amore" (2000), "HeartBreakers - vizio di famiglia" (2001).