Née à Montréal, elle est la fille de Germain Cadieux et de Lise Lapointe qui avaient uni leurs destinées le 13 août 19531. Sa tante Nicole Lapointe, alias Isabelle Pierre, fut une chanteuse très populaire au Québec dans les années 1960 et 70. Elle suit sa famille à Ottawa au début de l'adolescence où elle obtient un baccalauréat en théâtre à l'Université d'Ottawa. Elle fait ses débuts à 18 ans au Théâtre de la Vieille 17, puis travaille au Centre national des Arts, sous la direction d'André Brassard, pendant quelques années. Récipiendaire d'une bourse du Conseil des Arts du Canada, elle passe un an à New York, à l'âge de 25 ans, où elle vit avec la photographe Nan Goldin et fait des études au HB Studio, sous la direction de Carol Rosenfeld. Son retour à Montréal est marqué par la rencontre de Robert Lepage qui lui offre plusieurs rôles à la scène et au cinéma. Sous sa direction, elle participe à plusieurs spectacles de création et de répertoire qui font l'objet de tournées internationales. Elle amorce au même moment une collaboration avec la metteure en scène Brigitte Haentjens, qui lui offre de nombreux rôles au théâtre, allant des grandes figures du répertoire (Mademoiselle Julie, Électre, ainsi que Élizabeth 1re, rôle qui lui vaut son premier prix Gascon-Roux) à des œuvres d'auteurs contemporains (Merteuil dans Quartett, de Heiner Müller, Léone dans Combat de nègre et de chiens, de Bernard-Marie Koltès), ou encore, à des projets de création (Malina, d'Ingeborg Bachmann, Douleur exquise, de Sophie Calle). Elle travaille aussi, entre autres, sous la direction de Serge Denoncourt dans Gertrude (le cri) de Howard Barker, de Lorraine Pintal dans L'Hiver de force de Réjean Ducharme, pièce qui est notamment présentée au Théâtre de l'Odéon à Paris. Elle joue Marguerite Gautier dans La Dame aux camélias, de René de Ceccaty, pendant la saison en 2006-2007, qui lui vaut son deuxième Prix Gascon-Roux d'interprète féminine de l'année au Théâtre du Nouveau Monde. Elle se mérite d'ailleurs ce prix à trois autres reprises pour ses interprétations dans Le Dieu du carnage de Yasmina Reza en 2011, dans HA ha...! de Réjean Ducharme en 2012 et dans La Divine Illusion de Michel Marc Bouchard en 2015. Parallèlement à cela, elle enchaîne les rôles à la télévision et au cinéma, récoltant au passage le Prix Luce-Guilbault de révélation de l'année pour son rôle dans Le Confessionnal de Robert Lepage, un Prix Jutra pour son interprétation dans Le Cœur au poing de Charles Binamé et un prix Gémeaux pour sa prestation dans Cover-Girl, à Radio-Canada. Tout au long de sa carrière Anne-Marie Cadieux a d'ailleurs reçu des prix et de nombreuses nominations à la scène, au cinéma, comme à la télévision. Elle est boursière du Conseil des Arts du Canada et du Conseil des Arts de l'Ontario. Elle est la sœur de l'artiste contemporaine Geneviève Cadieux, à qui elle a servi de modèle à plusieurs reprises. Elle a reçu un doctorat honorifique de l'Université d'Ottawa en juin 2013.