Diplômée en sciences de la mer de l'Université Pierre-et-Marie-Curie, elle a commencé sa carrière professionnelle à la station d'observation des océans de Banyuls-sur-Mer. Elle a ensuite rejoint le Centre national de recherche scientifique (CNRS) en 1987 où elle a travaillé jusqu'en 2007, date à laquelle elle a rejoint l'Institut de recherche pour le développement (IRD).
Elle est connue pour ses travaux sur les effets des pollutions marines et son implication dans la préservation des écosystèmes marins. Elle a notamment mené des études sur les impacts des déchets plastiques et autres polluants sur la faune marine.
En 1987, elle a participé à la mise en place du réseau AquaScope, un système de surveillance des océans qui permet de suivre les variations de l'environnement marin. En 2006, elle a dirigé l'équipe de recherche sur le cycle des polluants organiques persistants (POP) dans l'océan Atlantique Nord.
Elle a également été active dans la politique environnementale en participant à des réunions internationales et en publiant des articles pour sensibiliser le public aux problèmes environnementaux. Elle a notamment participé au sommet de Rio en 1992, où les pays ont adopté l'Agenda 21, une résolution qui vise à favoriser la durable développement.
En 2016, Anne-Marie Estienne a reçu le prix international Ramon Margalef pour son travail en écologie marine et pour sa contribution à la connaissance de l'océan Atlantique Nord. Elle est membre de l'Académie des sciences depuis 2018.
Depuis les années 2000, elle a été impliquée dans le mouvement Stop Sépia, qui milite pour la protection des sépias du Golfe de Californie contre leur capture industrielle. Elle est également cofondatrice de l'association Océanopolis, qui vise à sensibiliser le public aux problèmes environnementaux liés aux océans.