Ann-Margret Olsson naît en 1941 à l'hôpital Karolinska àStockholm. Elle est la fille de Carl Gustaf Bernhard Olsson et de Anna Regina Aronsson[2].
Elle et sa famille déménagent àValsjöbyn(sv), une petite ville dans lecomté de Jämtland dans le nord de laSuède, plus tard la même année. Toujours en 1941, son père déménage auxÉtats-Unis avec comme objectif d'y amener le reste de la famille mais l'arrivée de laSeconde Guerre mondiale vient bousculer ses plans. Ce n'est que le qu'Ann-Margret et sa mère arrivent au port deNew York à bord duSS Gripsholm. La petite fille n'a alors que 5 ans et ne parle pas l'anglais[3]. Le jour même, son père l'emmène auRadio City Music Hall[4].
En 1946, la famille déménage àFox Lake enIllinois puis àWilmette en 1948[3]. En 1949, elle obtient lanaturalisation américaine et prend ses premiers cours de danse à la Marjorie Young School of Dance.
Pendant son adolescence, elle fait des apparitions auAmateur Hour de Morris B. Sachs, auBreakfast Club de Don McNeill et auAmateur Hour de Ted Mack[4].
En 1960, elle abandonne son nom de famille « Olsson » pour prendre définitivement commenom de scène professionnel son seul prénom « Ann-Margret ». Elle s'assure aussi cette année un travail pour le show deGeorge Burns. Toujours en 1960, elle est admise à l'université Northwestern àEvanston où elle est membre de lasororitéKappa Alpha Theta[3]. Faisant partie d'un groupe nommé lesSuttletones, Ann-Margret se retrouve àReno auNevada où en même temps a lieu la production du filmLes Désaxés.Marilyn Monroe la remarque dans la foule de spectateurs et va converser avec elle en privé, lui donnant des encouragements pour sa future carrière[4].
Ann-Margret débute au cinéma en 1961 dansMilliardaire pour un jour deFrank Capra. La même année, elle sort son albumAnd Here She Is: Ann-Margret, produit àNashville avec les musiciens d'Elvis Presley (Ann-Margret est d'ailleurs qualifiée d'« Elvis féminin »). Le titreI Just Don't Understand sera plus tard repris en session BBC par lesBeatles (enregistré le 17 juillet 1963, diffusé le 20 août 1963).L'année suivante, elle interprète durant la cérémonie desOscars la chanson thème deBachelor in Paradise, qui y est sélectionnée.C'est d'ailleurs par la comédie musicale qu'Ann-Margret connaît le succès au cinéma, grâce àState Fair (1962),Bye Bye Birdie (1963) et surtoutL'Amour en quatrième vitesse (Viva Las Vegas) (1964) avec Elvis Presley, jusqu'àTommy (1975) et la télévision (Dames at Sea).
En 1963, un an après le fameuxHappy Birthday deMarilyn Monroe, Ann-Margret est invitée à chanterBaby, Won't You Please Come Home lors de la fête d'anniversaire du présidentJohn F. Kennedy qui a lieu auWaldorf-Astoria le jeudi. Kennedy a 46 ans le mercredi suivant[5].
La même année, elle double son « propre » personnage animé (Ann-Margrock) dans la série animéeLes Pierrafeu. Sa chevelure passée de brune à rousse est une idée du célèbreSydney Guilaroff.En 1965, elle refuse le rôle-titre deCat Ballou qui contribue à lancerJane Fonda, mais elle est Melba dansLe Kid de Cincinnati où elle séduit Le Kid interprété parSteve McQueen.
En 1967, elle donne son premier récital àLas Vegas : Elvis Presley et son entourage viennent l'encourager. La vedette enchaîne avecThe Ann-Margret Show pourCBS où elle a pour invitésBob Hope,Jack Benny etCarol Burnett. Dans un autre show, elle côtoieDean Martin etLucille Ball.En 1969, sort l'albumThe Cowboy and the Lady, en association avecLee Hazlewood.En 1973, elle occupe le principal rôle féminin aux côtés de John Wayne dans un western de Burt Kennedy, « Les Voleurs de train ».
En 1979, son titreLove Rush est un vrai succès de club.
En 1994, dans la mini-sérieScarlett, elle reprend le rôle mythique de Belle Watling face àTimothy Dalton enRhett Butler. La même année, elle publie son autobiographie titréeAnn-Margret: My Story dans laquelle elle raconte son combat contre l'alcoolisme. L'année suivante, elle figure parmi les premières dans le classement parEmpire Magazine des cent célébrités les plus sexy de l'histoire du cinéma.
En 2001, travaillant avecArt Greenhaw — qui la désigne comme sa chanteuse préférée —, elle enregistre l'albumGod Is Love: The Gospel Sessions, acclamé par la critique et qui lui vaut une nomination auxGrammy Awards.
Ann-Margret épouse le 8 mai 1967 l'acteurRoger Smith. Celui-ci décède le 4 juin 2017 àSherman Oaks après avoir souffert plusieurs années d'une grave forme demyasthénie. L'actrice n'a pas eu d'enfants, mais est la belle-mère des trois enfants de Smith.