Anna Maria Pierangeli souhaite devenir une star de cinéma et commence à faire des castings dès l’âge de 16 ans. Elle est repérée par le cinéaste Léonide Moguy qui la dirige dans son film Demain il sera trop tard (1950) face à Vittorio De Sica. Elle prend du galon et devient l’héroïne à part entière de Demain est un autre jour (Moguy, 1951).
Cela lui ouvre les portes de Hollywood où elle est rebaptisée Pier Angeli et tourne Teresa (Zinnemann, 1951). La belle jeune fille enchaîne avec Miracle à Tunis (Brooks, 1951) et Le diable fait le troisième (Marton, 1952). La suite est moins marquante si l’on excepte Marqué par la haine (Wise, 1956). Durant cette période, Pier Angeli a des aventures avec Kirk Douglas ou James Dean, mais finit par épouser le chanteur Vic Damone, dont elle divorce assez rapidement en 1959.
Après plusieurs films décevants, Pier Angeli décide de revenir en Italie où elle épouse le compositeur Armando Trovaioli. Là, elle joue dans Sodome et Gomorrhe (Aldrich, 1962), Banco à Bangkok pour OSS 117 (Hunebelle, 1964), La bataille des Ardennes (Annakin, 1965), le western Pour mille dollars par jour (Amadio, 1966), puis Roses rouges pour le Führer (Di Leo, 1968) ou encore la comédie Alexandra aime ma femme et aimez-moi (Battaglia, 1969).
Elle décède tragiquement en 1971 à la suite d’un choc anaphylactique, mais certaines sources évoquent plutôt un suicide. Elle n’avait que 39 ans.