Anne-Marie Duff wurde in dem West Londoner Stadtteil Hayes End geboren. Sie besuchte die Mellow Lane School, Hayes End, Hillingdon. Später studierte sie Schauspiel am Drama Centre London.
Duff lebt in Stroud Green, London. Im Oktober 2006 heiratete sie den Schauspieler James McAvoy. Seit dem Frühsommer 2010 sind beide Eltern eines Sohnes. Im Mai 2016 teilte das Ehepaar mit, sich scheiden zu lassen.2000 war Anne-Marie Duff für einen Laurence Olivier Award nominiert, sie erhielt ihn jedoch erst fünf Jahre später für ihre Rolle der Fiona in der britischen Fernsehserie Shameless und für ihre Darstellung der Elizabeth I. von England in der aufwendigen BBC-Mini-Fernsehserie The Virgin Queen. Darüber hinaus gewann sie 2008 den BAFTA Cymru Award in der Kategorie "Beste Schauspielerin".
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