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 Franciscó-i Művészeti Intézetbe.
Másodévesen fényképészeti szakra váltott, mivel a fotózás gyorsasága és realizmusa közelebb állt hozzá. Még nem volt húszéves, amikor 1970-ben a San Franciscóban és Berkeley-ben 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 képe a magazin borítóján. Fotói közül kiemelkedik a Richard Nixon elnök lemondásáról készült nyolcoldalas képsorozata, a Rolling Stones 1975-ös koncertkörútját bemutató híres sorozata vagy a teljesen felöltözött Yoko Onóra meztelenül ráfonódó John Lennon képe.
Ez utóbbit mindössze öt órával a zenész halála előtt rögzítette 1980 decemberében. Képeit közölték a legnagyobb amerikai magazinok, a Life, a Time, a Newsweek, az Esquire, az európai lapok közül a többi közt a Sunday Times Magazine, a London Independent Magazine, a Paris Match, a Max, a Stern, a Vogue, valamint a japán Switch. Ő készítette Bruce Springsteen Born in the USA című albumának ikonikus lemezborítóját az amerikai zászlóval.
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 várandós Demi Moore-ról vagy a tejjel teletöltött kádban fürdőző Whoopi Goldbergről, az Évaként, nyakában kígyóval pózoló Cindy Crawfordról. Az üzleti világ híres személyiségeit és Hollywood sztárjait bemutató alkotásai széles körű ismertséget hoztak számára. Ekkor jött ki első könyve is Annie Leibovitz Photographs címmel. Ő volt az első nő, akinek munkáit már életében kiállították Washingtonban, a Smithsonian Intézet híres Nemzeti Portrégalériájában, 1991-ben.
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, Sacha Baron Cohenről vagy Michelle Obama amerikai first ladyről.
1989-ben találkozott Susan Sontaggal, hogy borítófotót készítsen az írónő új könyvéhez. Kapcsolatuk Sontag 2004-ben bekövetkezett haláláig tartott. Leibovitz Sontag biztatására utazott Szarajevóba 1993-ban. A boszniai 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. „Kik vagyunk?, Hogy nézünk ki? – ezekre a kérdésekre kerestem a választ” – nyilatkozta Leibovitz.
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 York-i 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.
Ő készítette az első hivatalos fotót Barack Obama amerikai elnök családjáról a Fehér Házban 2009-ben. 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 (köztük Yoko Ono, Patti Smith amerikai énekesnő, Amy Schumer amerikai színésznő és Serena Williams teniszező) portréi kerültek.
Leibovitz számos kitüntetés birtokosa, 2006-ban megkapta a francia Művészeti és Irodalmi Rend parancsnoki fokozatát. Az amerikai Kongresszusi Könyvtár az Élő Legendák közé választotta. 2013-ban elnyerte a spanyol Asztúria Hercege-díjat. 2016-ban beiktatták a Nemzetközi Fotós Hírességek Csarnokába.
2021-ben jelent meg a Vogue-nak készült divatfotóiból a Wonderland című antológia. 2023-ban mások mellett az ő munkáit is láthatta a magyar közönség a Határátlépések – A képek politikája címmel rendezett nagy sikerű kiállításon a budapesti Robert Capa Kortárs Fotográfiai Központban. Tavaly ősszel önálló tárlata nyílt Annie Leibovitz at Work címmel az arkansasi Bentonville-ben.
Három lánya van: Sarah-t 52 évesen szülte 2001-ben, 2005-ben pedig béranyától születtek ikrei, Susan és Samuelle, akik nevüket nagyapjuk és Susan Sontag után kapták.
