D'origine sénégalaise, Annabelle Lengronne quitte la Martinique à ses 18 ans et se rend à Paris pour devenir actrice. Elle multiplie les pièces de théâtre jusqu'à ce qu'elle trouve son premier rôle devant une caméra dans la série Xanadu en 2011. Cette même année, elle participe à la comédie Les Mythos, qui regroupe plusieurs jeunes talents comiques, ainsi que dans le drame Une vie meilleure emmené par Guillaume Canet dans la peau d'un restaurateur endetté.
L'année suivante, Annabelle Lengronne participe à la lucrative comédie Les Kaïra et se glisse dans la peau, dans le téléfilm Danbé, la tête haute, de la championne de boxe Aya Cissoko. Ses rôles gagnant en importance, Annabelle Lengronne campe le personnage féminin principal de La Fine équipe, ce qui lui permet aussi de retrouver William Lebghil après Les Mythos. Parallèlement, la jeune actrice apparaît dans les séries Fais pas ci, fais pas ça ou encore Engrenages.
Privilégiant la comédie, comme ses prestations dans Jusqu'ici tout va bien (2019) et Sun (id.) en témoignent, Annabelle Lengronne change de registre avec Filles de joie centré sur la thématique de la prostitution. Dans ce drame réaliste, elle incarne une prostituée aux côtés de Sara Forestier et Noémie Lvovsky.