Son nom était Phoebe Ann Oakley Mozee. 
Sa mère l'appelait Phoebe Ann, mais ses sœurs l'appelaient Annie. Elle est née le 13 août 1860 à Patterson Township dans le comté de Darke, Ohio. Elle n'a jamais été à l'école. Ses parents Quakers étaient originaires de Pennsylvanie, mais après l'incendie de leur auberge, ils louèrent une ferme dans l'Ohio. Son père, qui avait participé à la guerre de 1812, mourut en 1866 d'une pneumonie. Annie était la cinquième de sept enfants. Sa mère se remaria, eut un autre enfant mais devint à nouveau veuve. Pendant ce temps Annie fut confiée à un surveillant agricole du comté où elle apprit la couture et la broderie. Elle fut placée localement dans une famille où elle fut abusée physiquement et mentalement. Quand elle revint dans sa famille, sa mère s'était remariée pour la troisième fois.
Son talent de tireur se révèle d'abord à la chasse. Elle est encore fillette quand elle arrive à assurer la subsistance de sa famille en vendant ses prises. A l'âge de 16 ans elle rencontre le tireur d'élite Frank Butler (1850-1926) qui allait devenir son mari, en le défaisant dans un concours de tir à Cincinnati. Ils se produiront ensemble dans divers spectacles avant qu'il ne prenne sa retraite pour gérer la carrière de sa femme.
Elle pouvait manier un fusil ou un pistolet six coups avec un art non surpassé par aucun humain avant elle et probablement depuis.
En 1885, l'adresse extraordinaire de Annie Oakley lui vaut d'être embauchée par le Wild West Show de Buffalo Bill Cody dans lequel elle se produit aux côtés de Sitting Bull et d'autres notables. 
Elle reste dans la troupe durant plus de 16 ans, ne cessant d'époustoufler les foules en Amérique et en Europe dans des numéros de tireur d'élite spectaculaires. Elle pouvait atteindre une cible en mouvement à partir d'un cheval galopant, tirer sur une pièce de monnaie dans les airs, ainsi que sur la cigarette tenue entre les lèvres de son mari. Elle faisait frémir non pas comme Phoebe Anne Oakley Mozee mais en tant que "Little Sure Shot", l' immortelle Annie Oakley. A cette époque Annie Oakley était facilemment reconnaissable par les nombreuses médailles de tir qui ornaient sa poitrine.
Annie Oakley, la pauvre fille orpheline de l'arrière-pays qui fit sa renommée mondiale, était l'esprit même de l'indépendance personnelle. Cet esprit est présent dans notre génération comme dans le sien.
En 1901, elle est gravement blessée dans un accident de train. Souffrant de blessure de la colonne vertébrale, elle subit de nombreuses interventions et doit quitter le Wild West Show. Elle se produira ensuite pour des œuvres de charité venant en aide aux orphelins, veuves et femmes en difficulté. Elle ne cessera jamais d'encourager les femmes à s'initier au maniement des armes à feu, pour le sport mais aussi pour la légitime défense. Elle enseignera elle-même à des milliers d'américaines.
Le 5 mars 1922 Annie Oakley réalise un score de 98 sur 100 au tir au pigeon d'argile au Pinehurst Gun Club, en Caroline du Nord.
Annie Oakley est morte le 3 novembre 1926 à Greenville dans l'Ohio, des suites d'une anémie pernicieuse.