Annette cambia il proprio cognome in O'Toole quando inizia la carriera d'attrice. È da sempre una ballerina: comincia a prendere lezioni di danza alla tenera età di 3 anni. Inoltre, ha sempre avuto un talento naturale per il canto.

A 13 anni si trasferisce con i genitori a Los Angeles, California, dove, circondata dal magico mondo del cinema, decide di iscriversi ad un corso di recitazione. Le sue prime apparizioni televisive sono nel telefilm My three sons del 1967 e nella popolare serie western The virginian, nel 1970. Ottiene un ruolo di rilievo, dopo 5 anni di recitazione in show televisivi,  con The girl most likely to, film del 1973 che ha per protagonista Stockard Channing, la futura star di Grease. Il vero successo arriva, però, nel 1975 col film Smile, dov'è protagonista Bruce Dern ed appare, tra l'altro, una giovanissima Melanie Griffith. Possiamo apprezzare, infine, il suo talento vocale grazie alla colonna sonora del film, del 1976, The first nudie musical, dove canta in un coro pur non apparendo sullo schermo.

In seguito interpreta molti altri ruoli, a dire il vero fin troppo simili tra loro, tanto da rischiare di rimanere intrappolata nel personaggio della tipica fidanzata leale. Riesce, comunque, a liberarsi in fretta di tale etichetta, grazie alla disarmante interpretazione nell'adattamento televisivo di Jack Heifner del 1981, The vanities, insieme a Meredith Baxter e Shelley Hack. Annette si allontana, inoltre, dai suoi standard recitativi nell'erotico re-make della Universal Pictures del film cult del 1942, The cat people, nel 1982. In quell'anno convola a nozze con Bill Geisslinger, da cui ha due figlie. Purtroppo, divorziano nei primi anni novanta.

Nel 1983 interpreta il ruolo che l'ha resa celebre in tutto il mondo: è co-protagonista, insieme a Christopher Reeve e Richard Pryor, nel secondo sequel di "Superman", Superman III. È Lana Lang, la mai dimenticata compagna di liceo di Clark Kent. Non poteva certo immaginare che la sua carriera di successo avrebbe avuto, quasi 20 anni dopo, uno nuovo slancio proprio con un altro ruolo nella saga di Superman.

Lungo tutti gli anni ottanta, si esibisce in eccellenti lavori, alcuni anche sorprendenti. È la protagonista della commedia Copacabana del 1985, che diventa un classico nonostante sia destinata al piccolo schermo ed, in fondo, sia prodotta solo per promuovere la nuova canzone omonima di Barry Manilow. Nel 1987, molti non ripongono grandi speranze nemmeno in Cross my heart, che ha come protagonisti Annette e Martin Short. A dispetto delle previsioni, il film riscuote un considerevole successo ai botteghini, per non contare che le prove dei due attori sono osannate da più parti.

Annette ritorna in Tv nel 1990 con l'acclamata mini-serie della PBS, The Kennedys of Massachusetts. L'interpretazione di Rose Fitzgerald gli vale la nomination per gli Emmy e i Golden Globe. Prima di accettare questo ruolo, per oltre 10 anni è quasi assente dalle serie televisive, ad eccezione di un'apparizione come guest star in Barnaby Jones nel 1976. Nonostante i continui successi nei film, che includono un ruolo da protagonista in Danielle Steel's Jewels, nel 1992, Annette sente ancora una volta il desiderio di apparire in televisione. Così, a dispetto della sua agenda fitta di impegni, firma un contratto per Boy meets world nel 1993, e nella serie della MGM The outer limits nel 1995. Annette approda poi ad un ruolo ricorrente nella serie Nash Bridges, nel 1996.

Nel 1999, Annette sposa l'attore, regista, sceneggiatore e produttore Michael Mckean, con il quale è ancora felicemente sposata. Alla metà del 2001, riceve dalla WB la proposta d'interpretare il ruolo di Martha Kent, nella nuova serie "Smallville". L'episodio pilota è già stato girato con l'attrice Cynthia Ettinger, ma quest'ultima è ritenuta artisticamente non abbastanza matura per un personaggio così importante. In Annette O'Toole il direttore del casting trova, invece, le qualità che cercava.

Come già scritto è anche un'ottima attrice di teatro, i suoi lavori includono "Love letters", la longeva produzione "The vanities", "Yankee Wives", "Sun Bearing down" e "Merton of the movies".

Dopo diversi anni a Ashland, in Oregon, con il primo marito, Annette vive ora felicemente a Los Angeles, con l'attuale marito e le figlie. Torna a casa da Vancouver, dove si gira "Smallville", ogni qualvolta si presenta l'occasione.