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Lo zio materno è l’attore Richard Harris. Annabelle Wallis parla inglese, portoghese, francese e spagnolo. Attualmente vive a Londra. Sta uscendo con il leader dei Coldplay, Chris Martin, dal mese di agosto.
In Portogallo, ha lavorato in alcuni film prima di trasferirsi a Londra per seguire una carriera cinematografica.
A Londra, ha fatto qualche pubblicità e ha frequentato una scuola di recitazione.
Nel 2009 ha lavorato nella terza stagione di Showtime nel ruolo di Jane Seymour e nei Tudors con Jonathan Rhys Meyers.
Nel 2010 è entrata nel cast di W.E. diretta da Madonna e nel 2011 ha avuto un ruolo minore nel film X Men: First class. Nel 2013 è apparsa come Grace Burgess nel dramma della BBC Peaky Blinders con Cilian Murphy e Sam Neil.
Nel 2014 ha lavorato nel film horror Annabelle, uno spin off del film del 2013 The Conjuring.
Prima di Chris Martin, con il quale è stata fotografata ultimamente, usciva con il modello britannico James Rousseau, ma non sono stati più visti insieme da maggio 2014.