Anne Marie Carl Nielsen blev født i Sdr. Stenderup, 10 km sydøst for Kolding som datter af proprietær Povl Julius Brodersen og Frederikke Johanne Kirstine Gylling. Hun voksede op på en gård, og kærligheden til dyrene blev et centralt element i hendes motivvalg som kunstner. Anne Marie Carl-Nielsen var gift med komponisten Carl Nielsen og sammen fik de 3 børn: Anne Marie Frederikke Telmanyi, Irmelin Johanne og Hans Børge.

I 1882 blev hun optaget på Charlotte Kleins Tegne- og Kunstindustriskolen for Kvinder, og i 1889-1890 var hun elev på Kunstskolen for Kvinder og elev af professor August Saabye. I 1884 debuterede Anne Marie Carl-Nielsen på Charlottenborg Forårsudstilling og blev fra 1892 tilknyttet Den Frie Udstilling. 1895 udstillede hun på Kvindernes Udstilling.

Som mange andre samtidige billedhuggere inspireredes Anne Marie Carl-Nielsen af samtidens største billedhugger Auguste Rodin, som hun kontaktede personligt. Anne Marie Carl-Nielsen arbejdede i naturalistisk stil med hang til det monumentale.