Annie Oakley có tên khai sinh là Phoebe Ann Moses, sinh năm 1860 ở vùng nông thôn Darke County, Ohio, nước Mỹ. Là con thứ 6 trong số 7 anh chị em, người cha qua đời khi Annie mới lên 6 tuổi, để lại gánh nặng trên vai người mẹ. Năm Annie 9 tuổi, mẹ gửi cô bé đến sống ở một bệnh xá vì không thể lo nổi cho ngần ấy đứa trẻ. Một năm sau, Annie đã đến một nông trại nghèo làm giúp việc cho một gia đình. Tuy vậy, cô bị đối xử rất thậm tệ. Cuối cùng, Annie đã bỏ trốn quay trở về sống cùng mẹ và người cha dượng.
Với tài năng bắn súng thiên phú của mình, bà đã phụ giúp gia đình bằng cách đi săn bắn thú ở một khu rừng gần đó và bán vật phẩm thu được cho một cửa hàng thực phẩm ở địa phương. Ở tuổi 15, bà đã là một thợ săn tài năng, kiếm được nhiều tiền để trả hết khoản nợ của gia đình.
Trong một cuộc đấu súng vào ngày lễ Tạ ơn năm 1875, Annie đã đánh bại Frank E. Butler - tay súng hàng đầu lúc đó. Sau cuộc đấu, hai người nhanh chóng yêu nhau rồi kết hôn một năm sau đó. Cặp vợ chồng đi lưu diễn chuyên nghiệp khắp đất nước từ năm 1882 và bắt đầu thực hiện các màn trình diễn trên sân khấu cùng nhau sau khi người bạn diễn nam của Butler ngã bệnh. Từ đó, bà lấy nghệ danh là Oakley. Bà đã tạo được một phong cách trình diễn riêng cho mình, không giống với bất kỳ một người nào khác.
Tại một sự kiện diễn ra ở Minnetosa năm 1884, Oakley đã thu hút sự chú ý của Sitting Bill, ông chủ một đoàn xiếc và là huyền thoại bắn súng. Sitting Bill vô cùng ấn tượng với tài năng của Oakley. Năm 1885, Sitting Bill mời Oakley cùng chồng tham gia chương trình Buffalo Bill Wild West Show nổi tiếng của mình. Kể từ đó, họ đã cùng nhau đi lưu diễn trong suốt 16 năm. Không chỉ biểu diễn trên toàn nước Mỹ mà hai vợ chồng đã cùng nhau lưu diễn khắp châu Âu. Annie là ngôi sao của chương trình, còn Frank trở thành người quản lý và trợ lý của vợ.
Khán giả vô cùng thán phục khi Oakley có thể bắn rơi tàn tro của điếu thuốc trên môi chồng mình hay bắn để mở các nút chai, chia tách các quân bài…
Sự nghiệp của Oakley tiếp tục khởi sắc khi bà tham gia show Buffalo Bill Cody tại cuộc triển lãm của người Mỹ ở London (Anh) vào năm 1887. Tại đây, bà đã gặp Nữ hoàng Victoria và được Nữ hoàng hết sức khen ngợi về tài năng của mình. Báo chí nước Anh cũng không ngừg ca ngợi khiến Oakley ngày càng nổi tiếng.
Mặc cho những thành công gặt hái được, sự cạnh tranh, đối đấu của Lillian Smith - một người bạn và cũng là nhà thiện xạ nổi tiếng đã khiến Oakley rời khỏi chương trình này sau khi nó kết thúc hành trình ở nước Anh. Sau đó, Oakley tham gia biểu diễn diễn trong nhiều chương trình ở vùng miền tây hoang dã và cho đến khi Smith rời khỏi Buffalo Bill Show, bà đã quay trở lại chương trình này tham gia cho chuyến lưu diễn châu Âu 3 năm của, bắt đầu tại triển lãm Paris năm 1889.
Sau khi hai vợ chồng bị một tai nạn đường sắt vào năm 1901, Oakley bị liệt và phải nghỉ trong một thời gian, nhưng bà lại tiếp tục biểu diễn khi phục hồi sau đó. Hai vợ chồng giải nghệ vào năm 1913. Trong cuộc đời mình, bà đã giành được rất nhiều huy chương cho tài năng bắn súng của mình và trở thành một nhân vật huyền thoại của miền Tây nước Mỹ.
Cho đến thời điểm kết thúc sự nghiệp, Oakley là ngôi sao nữ đầu tiên trong lĩnh vực bắn súng ở nước Mỹ. Trong suốt mấy chục năm cống hiến, bà là người kiếm được nhiều tiền nhất cho chương trình Wild West Show. Khi đã trở nên giàu có, Oakley không bao giờ quên gia cảnh nghèo khó khi còn nhỏ nên ngoài việc giúp đỡ gia đình, bà dành phần lớn số tiền đóng góp vào các tổ chức từ thiện dành cho trẻ mồ côi.
Trong Chiến tranh thế giới thứ nhất, Oakley đã đề xuất sáng kiến thành lập một trung đoàn những tay súng nữ nhưng đơn thỉnh nguyện của bà bị bác bỏ. Thay vào đó, bà đã giúp gây quỹ cho Hội Chữ thập đỏ bằng cách tổ chức các cuộc triển lãm tại nhiều doanh trại quân đội. Trong thời gian sau đó, Oakley còn tổ chức dạy bắn súng cho những người phụ nữ yêu thích bộ này.
Annie Oakley qua đời ngày 3/11/1926 ở Greenville, Ohio. Cái chết của Oakley làm dấy lên một làn sóng đau buồn của những người hâm mộ dành cho bà trên khắp đất nước. Chồng bà cũng qua đời 18 ngày sau đó, vào ngày 21/11/1926.
Năm 1946, vở kịch Annie Get Your Gun được dàn dựng lại dựa trên chính câu chuyện tình yêu của Frank và Annie. Khi ra mắt trên sân khấu Broadway, vở nhạc kịch nhanh chóng trở thành một hiện tượng và được diễn đi diễn lại rất nhiều lần tại cả New York lẫn London.