A Conneticut állambeli Waterburyben született hat gyermek közül harmadikként. Anyja, a legendás Martha Graham tanítványok egyike, maga is táncoktatóként dolgozott. Apja egy gumiüzemben kezdte pályafutását, majd a II. világháború alatt belépett a légierőhöz. Az Air Force ezredeseként családjával gyakran költözött, Annie pedig
azzal szórakoztatta magát, hogy az autó ablakán keresztül, képzeletben keretbe szerkesztette a tájat, mintha kameralencsébe nézne.
Kezdetben festő akart lenni, ezért 1967-ben beiratkozott a San Franciscói Művészeti Intézetbe. Másodévesen kezdett fényképészeti órákat hallgatni, majd szakot váltott, mivel a fotózás gyorsasága és realizmusa közelebb állt a személyiségéhez. Még nem volt 20 éves, amikor 1970-ben a San Franciscóban és Berkeleyben lezajlott háborúellenes megmozdulásokon készített képeit elküldte a Rolling Stone magazinnak. Azonnal állást ajánlottak neki és kiválasztották egy fotóját az aktuális különszám címoldalára.
Diplomáját 1971-ben kapta meg, 1973-ra a Rolling Stone vezető fotósává lépett elő. Tíz év alatt 142-szer szerepelt Leibovitz-kép a magazin borítóján. A korszak fotográfiái közül kiemelkedik a Nixon elnök lemondásáról készült nyolc oldalas képsorozata, a Rolling Stones 1975-ös koncertkörútját bemutató híres sorozata, vagy a teljesen felöltözött Yoko Onóra meztelenül ráfonódó John Lennon fotója.
Ez utóbbit mindössze öt órával a zenész halála előtt rögzítette 1980 decemberében.

Annie Leibovitz John Lennonról és Yoko Onóról készült ikonikus képét dedikálja 2008-ban (Fotó/Forrás: Logan Fazio / Getty Images Hungary)
Képeit közölték a legnagyobb amerikai magazinok, a LIFE, a Time, a Newsweek, az Esquire, továbbá az európai lapok, így többek között a Sunday Times Magazine, a London Independent Magazine, a Paris Match, a Max, a Stern, a Vogue, valamint a japán Switch.
1983-ban a Vanity Fair csapatához csatlakozott, ahol a legváltozatosabb témákat fényképezte: színészeket, politikusokat, írókat, sportolókat, operaénekeseket, művészeket és táncosokat, valamint ő készítette a lap által kiadott Hall of Fame évkönyv képeit is.
Ekkor született a nagy vihart kavart meztelen fotó a terhes Demi Moore-ról, vagy a tejjel teletöltött kádban fürdőző Whoopi Goldbergről, az Évaként, nyakában kígyóval pózoló Cindy Crawfordról.

Annie Leibovitz Demi Moore-ról készült portréja előtt 2009-ben (Fotó/Forrás: Sean Gallup / Getty Images Hungary)
Az üzleti világ híres személyiségeit és Hollywood sztárjait bemutató alkotásai széleskörű ismertséget hoztak számára. Első könyve is ekkor került a boltok polcaira Annie Leibovitz Photographs címmel. Kulcsszerepet játszott az American Express és a Gap reklámkampányaiban is. Ő volt az első nő, akinek munkáit már életében kiállították Washingtonban, a Smithsonian Intézet híres Nemzeti Portrégalériájában 1991-ben Photographs: Annie Leibovitz 1970-1990 címmel.
1998-ban a Vogue-nál folytatta karrierjét, ahol méltán híres képeket készített többek között Gisele Bündchenről, Lady Gagáról, Rihannáról, Hugh Jackmanről, Anne Hathawayről, Eddie Redmayne-ről, Helena Bonham Carterről és Sacha Baron Cohenről.
1989-ben találkozott Susan Sontaggal, hogy borítófotót készítsen az írónő új könyvéhez. Kapcsolatuk 16 éven át, Sontag 2004-ben bekövetkezett haláláig tartott. Leibovitz Sontag biztatására utazott Szarajevóba 1993-ban. A háborúban készült fekete-fehér dokumentumfotói a brutalitást, vérontást, a háború sötét légkörét tükrözik. Az írónővel közösen adták ki 1999-ben a Women című albumot, amelyben több mint 200 nő portréja szerepel az ünnepelt sztároktól, a revülányokon át a bányászokig. Ezzel kapcsolatban így nyilatkozott:
Kik vagyunk?, Hogy nézünk ki? - ezekre a kérdésekre kerestem a választ
2006-ban A Photographer's Life 1990-2005 címmel újabb könyvet jelentetett meg, amely személyes, bensőséges fényképeket tartalmaz saját családjáról is. A képeket, amelyek között szerepel Nicole Kidman, Leonardo DiCaprio, Brad Pitt, Johnny Depp, Nelson Mandela, Hillary Clinton és II. Erzsébet királynő fotója, még ugyanebben az évben kiállították a New Yorki Brooklyn Museumban, majd a tárlat bejárta az Egyesült Államokat és Európát.
2009-ben került nyilvánosságra, hogy 24 millió dolláros tartozást halmozott fel, az anyagi csőd a képek feletti jogok elvesztésével fenyegette, de végül egy londoni befektetési céggel sikerült egyezségre jutnia egy átfogó hitelről.
2012-ben új mérföldkőhöz érkezett pályája a Pilgrimage albummal, amelyben kameráját ezúttal nem az emberek felé, hanem tárgyak, illetve történelmi emlékek felé fordította. Sontag halála után döntötte el, megvalósítja közös álmukat és megörökíti azokat a tárgyakat és helyeket, amelyek mindkettőjüknek fontosak voltak. 2016-ban száműzte a megszokott művészi erotikus fotókat a Pirelli-naptárból, helyükre befolyásos nők portréi kerültek.
Számos kitüntetés birtokosa, 2006-ban a francia kormánytól megkapta a Francia Köztársaság Irodalmi és Művészeti Rendjének parancsnoki fokozatát. A Library of Congress az Élő Legendák közé választotta. 2013-ban nyerte el az Asztúria Hercege Díjat kommunikáció és humántudományok kategóriában. 2019-ben retrospektív kiállítása nyílt „Annie Leibovitz. The Early Years, 1970-1983” címmel Los Angelesben.
Fejléckép: Annie Leibovitz 2016-ban (fotó: Simon Dawson / Bloomberg / Getty Images Hungary)