Arrivée à Los Angeles à l'âge de 13 ans, Annette O'Toole y prend très tôt des cours de comédie et débute sa carrière à 16 ans enchaînant des petits rôles dans de nombreuses séries.
Son premier rôle important au cinéma, elle l'obtient dans 48 heures en 1982, dans lequel elle interprète la petite amie du personnage joué par Nick Nolte.
La comédienne intègre l'équipe de Smallville en 2001 où elle devient la maman du futur Superman.
