Après des études à l'École nationale de théâtre du Canada, elle débute en 1995 sur scène au Théâtre du Rideau-Vert et obtient rapidement le rôle principal dans la série télévisée *Pêpère à la semaine* en 2000. Cette même année, elle remporte son premier prix Génie pour sa performance dans le film *Un dimanche à la maternelle*.
En 2001, elle entame une carrière musicale en sortant son premier album, intitulé *Le P'tit bonheur*, qui se vend à plus de 50 000 exemplaires. En 2003, elle participe au Concours Eurovision de la chanson avec la chanson *Mon amour pour toi* et représente le Canada en qualité de déléguée des États associés de la Francophonie.
Depuis, Anne-Marie Dorion a sorti plusieurs albums, notamment *Tous les mêmes* (2004), *Enfant sauvage* (2007) et *Dans ma peau* (2013), et a continué à travailler dans le théâtre et la télévision. Elle a notamment joué dans des pièces de théâtre telles que *La Mouette*, *L'École de la médisance* et *Romeo et Juliette*.
En 2017, elle obtient un prix Génie pour sa performance dans le film *Pour l'amour du jeu*, qui est son premier film au cinéma en tant que productrice. La même année, elle sort son album *Un soir de neige*, qui est produit par Pierre Lapointe et dont la chanson titre est un grand succès.
Anne-Marie Dorion est également une activiste engagée dans diverses causes sociales telles que la lutte contre la discrimination et l'égalité des sexes. Elle est membre du Conseil national de l'audiovisuel, organisation canadienne qui défend les droits de la langue française et la culture francophone au Canada.
Au-delà de sa carrière dans l'industrie du divertissement, Anne-Marie Dorion est une mère d'un enfant et elle anime également un blog sur son site web où elle écrit sur les questions qui lui tiennent à cœur, telles que la santé mentale, le bien-être des femmes et l'écologie.