Filha dos americanos Kathryn e Richard Adams, Amy nasceu na Itália, em 1974. Cresceu em Castle Rock, no Colorado. Integrou o coral de sua escola e ainda participava de uma companhia de dança local. A carreira como dançarina foi prejudicada por uma contusão, mas abriu espaço para que buscasse espaço como atriz. Fez sua estreia nas telonas com Lindas de Morrer (1999), em que contracena com Kirsten Dunst, Denise Richards e Ellen Barkin.

Teve pequenas participações em séries como That '70s Show, Charmed e Buffy: A Caça-Vampiros, enquanto não conquistava seu espaço nos cinemas. O que aconteceu em 2002, quando foi chamada por Steven Spielberg para viver a esposa de Leonardo DiCaprio em Prenda-Me Se For Capaz. Recebeu sua primeira indicação ao Oscar em 2006, por causa do drama independente Retratos de Família. Voltou a disputar o prêmio da Academia por Dúvida (2008) e O Vencedor (2010).

Sempre aparentando ser mais nova do que é, especializou-se em simpáticas comédias românticas como Encantada, O Ex-Namorado da Minha Mulher e Casa Comigo?. Trabalhou com Walter Salles em Na Estrada (2012) e ainda contracenou com bonecos em Os Muppets (2011). Interpreta Lois Lane em Superman - O Homem de Aço (2013).