Amy Adams cantou no coral da escola na Douglas County High School e foi dançarina aprendiz em uma companhia de dança local, com a ambição de se tornar bailarina. No entanto, trabalhou como recepcionista na The Gap e como hostess na Hooters para se sustentar antes de encontrar trabalho como dançarina no Boulder's Dinner Theatre e no Country Dinner Playhouse em produções como "Brigadoon" e "A Chorus Line". Foi lá que ela foi vista por um diretor de teatro de jantar de Minneapolis, que lhe pediu para se mudar para Chanhassen, Minnesota, para mais trabalho em teatro regional de jantar.

Tratando um músculo distendido que a impedia de dançar, ela estava livre para fazer um teste para um papel em Drop Dead Gorgeous (1999), que estava sendo filmado nas proximidades em Minnesota. Durante as filmagens, Kirstie Alley a encorajou a se mudar para Los Angeles, onde logo conquistou um papel na versão televisiva da Fox do filme Cruel Intentions (1999), no papel que no filme foi de Sarah Michelle Gellar, "Kathryn Merteuil". Embora três episódios tenham sido filmados, a problemática série nunca foi ao ar. Em vez disso, partes dos episódios foram remontadas e lançadas como o filme direto para vídeo Cruel Intentions 2 (2000). Depois de mais aparições televisivas fracassadas, ela conseguiu um papel importante em Catch Me If You Can (2002), contracenando com Leonardo DiCaprio. Mas isso não proporcionou o avanço que ela poderia ter esperado, sem trabalho sendo oferecido por cerca de um ano. Ela eventualmente voltou à televisão e se juntou à série de curta duração Dr. Vegas (2004).

Seu papel no filme independente de baixo orçamento Junebug (2005) (que foi filmado em 21 dias) chamou a atenção de verdade, incluindo uma indicação ao Oscar de Melhor Atriz Coadjuvante, bem como outros prêmios. No ano seguinte, sua capacidade de parecer uma heroína animada da Disney de olhos arregalados a ajudou a ser escolhida entre cerca de 300 atrizes que faziam teste para o papel de "Giselle" no filme de animação/live-action Enchanted (2007), que provaria ser seu papel de grande sucesso. Sua interpretação vivaz, mas inocente, permitiu que ela usasse seus talentos de canto e dança. Sua atuação lhe rendeu uma indicação ao Globo de Ouro de Melhor Atriz em Filme Musical ou Comédia.

Adams apareceu em seguida na grande produção Charlie Wilson's War (2007) e depois atuou no filme independente Sunshine Cleaning (2008), que estreou no Festival de Sundance de 2008. Seu papel como "Irmã James" em Doubt (2008) lhe trouxe uma segunda indicação ao Oscar de Melhor Atriz Coadjuvante, bem como indicações ao Globo de Ouro, ao Screen Actors Guild e ao British Academy Film Award. Ela apareceu como Amelia Earhart em Night at the Museum: Battle of the Smithsonian (2009) e como conselheira de linha direta pós-11 de setembro, aspirante a escritora, cozinheira amadora e blogueira em Julie & Julia (2009). No início da década de 2010, ela estrelou com Jason Segel em The Muppets (2011), com Philip Seymour Hoffman em The Master (2012), de Paul Thomas Anderson, e ao lado de Clint Eastwood e Justin Timberlake em Trouble with the Curve (2012). Ela interpretou a repórter Lois Lane em Man of Steel (2013) e a golpista Sydney Prosser em American Hustle (2013), antes de interpretar a artista real Margaret Keane no biopic de Tim Burton, Big Eyes (2014).

Em 2016, ela reprisou seu papel como Lane em Batman v Superman: Dawn of Justice (2016) e estrelou o drama de ficção científica de Denis Villeneuve, Arrival (2016), e o thriller sombrio de Tom Ford, Nocturnal Animals (2016). Em 2018, ela recebeu outra indicação ao Oscar, sua sexta, por estrelar como Lynne Cheney no drama biográfico Vice (2018), ao lado de Christian Bale como Dick Cheney.