Amy Lou Adams nació el 20 de agosto de 1974 en el poblado de Vicenza en la provincia de Veneto, Italia. Sus padres, de origen americano, se encontraban en el país europeo debido al trabajo de su papá, un militar. La familia volvió a Estados Unidos cuando Amy era aún pequeña y su infancia transcurrió en Castle Rock, Colorado.

Su primer contacto con el arte fue a través del coro de la preparatoria y de su participación en una compañía de ballet, pues soñaba con llegar a ser una bailarina profesional. Combinó varios trabajos con su actividad como bailarina: fue mesera y también trabajó en tiendas departamentales. Participó en montajes de obras musicales en Boulder, Colorado como Brigaddon y A Chorus Line, y posteriormente se mudó a Minneapolis para unirse a otra compañía de danza.

Tras una lesión y obligada a dejar la danza temporalmente, Amy participó en la audición de la cinta Drop Down Gorgeous (1999) y fue elegida para hacer un papel. Motivada por la experiencia del rodaje, decidió mudarse a Los Ángeles para probar suerte como actriz. Obtuvo pequeños papeles en diversas series de televisión entre las que destacan: That ‘70s Show, Charmed, Buffy la caza vampiros y Smallville. En 2002 compartió créditos con Leonardo DiCaprio en Atrápame si puedes, aunque su trabajo pasó desapercibido y volvió a las series de televisión.

Fue su papel de Ashley en la cinta independiente Junebug (2005) el que le ayudó a hacerse notar: Amy consiguió una nominación al Oscar como Mejor actriz de reparto. En 2007 fue elegida para hacer el papel de una princesa en Encantada de Disney y se transformó en una verdadera celebridad.

Amy ha estado nominada al Oscar en cinco ocasiones: Junebug (2005), La duda (2008), The Fighter (2010), The Master (2012) y Escándalo americano (2013).