Római katolikus családban született az észa-dakotai Kulmban. Apja Leo Henry Brown, a helybéli Kulm Messenger és Edgeley Mail újságok kiadója és -szerkesztője, anyja Frederica Hehr volt. Angeline, becenevén Angie három leánytestvér sorában másodikként született. Családja német eredetű volt, nevüket eredetileg Braunnak írták. 1942-ben, Angie tízéves korában a család a kaliforniaiBurbankbe költözött, Angie az itteni középiskolában végzett 1947-ben. Ezután Los Angelesben és Glendale-ben járt főiskolára, 1954-ben kereskedelmi oklevelet szerzett. 1952-ben feleségül ment Gene Dickinson labdarúgóhoz, ettől kezdve férjezett nevét, Angeline (Angie) Dickinsont viselte.
Első filmszerepét 22 évesen, 1953-ban játszotta el, a Lucky Me című vígjátékban, Doris Day és Phil Silvers mellett. A filmet 1954-ben mutatták be. Ezután sorra kapta a kisebb filmszerepeket, olyan sztárok mellett játszott, mint John Wayne, Rod Steiger, Roger Moore és Frank Sinatra. Ismertségét Howard Hawks rendező 1959-es Rio Bravo című klasszikus westernfilmjében szerezte, itt egy Feathers nevű lányt játszott, szerepe szerint a nála 25 évvel idősebb John Wayne szeretőjét. Alakításáért elnyerte a Golden Globe-díjat, az év színésznő felfedezettje kategóriában. Az 1960-as években már jelentős film-főszerepeket kapott komolyabb hollywoodi produkciókban, így A dicső tizenegyben (1960), a Rome Adventure-ben (1962), a Gyilkosokban (1964) és A játéknak vége-ben (1967), a televízióban az 1965-ös népszerű Dr. Kildare sorozatban, és Terence Young rendező 1966-os A mák virága is virág című ügynök-krimijében. A televíziókban számos népszerű western- és kalandfilmben és -sorozatban vendégszerepelt, így a Gunsmoke-ban (1957), a Perry Mason-ben (1958), a The Virginian-ben (1966) és A szökevény-ben (The Fugitive, 1965).
1974–1978 között főszerepet játszott a Police Woman című rendőrfilm-sorozatban, Suzanne „Pepper” Anderson őrmestert. Az alakításért 1975-ben újabb Golden Globe-díjat nyert, ezúttal a legjobb női drámasorozat-főszereplő kategóriában.
1978-ban is „Pepper” Anderson őrmester szerepét alakította a Ringo Star főszereplésével forgatott Ringo című filmvígjátékban is (rendező Jeff Margolis). Címszerepet alakított Steve Carver rendező 1974-es gengszterfilm-komédiájában, a Keresztmamában, majd ennek 1987-es Jim Wynorski-féle folytatásában, a Keresztmama 2.-ben is. Az 1990-es években változatos filmes műfajokban szerepelt, így Gus van Sant 1993-as Néha a csajok is úgy vannak vele című romantikus drámában, Uma Thurman mellett. Főszerepelt Geraldine Creed rendező 1996-os A nap, a hold és a csillagok című vígjátékában. A 2000-es években főleg tévésorozatokban és tévés beszélgetőműsorokban szerepelt, 2009-ben visszavonult a filmezéstől.
Magánélete
Dickinson és Bacharach újszülött gyermekükkel (1966)
1952-ben feleségül ment Gene Dickinson labdarúgóhoz. A házasság 1960-ig tartott, válás után Angie megtartotta ex-férje vezetéknevét. Második férje 1965–1981 között Burt Bacharach zenész és zeneszerző volt,[6] Közös leányuk, Lea Nikki Bacharach 1966-ban született. Bacharach és Dickinson házasságának másfél évtizedét több válság és átmeneti szétválás színesítette. Leányuk, aki Asperger-szindrómában szenvedett, 2007 januárjában öngyilkosságot követett el.[7] Volt férje, Burt Bacharach 2023-ban elhunyt.
Az 1980-as években Dickinsonnak viszonya volt a nála 15 évvel fiatalabb Billy Vera amerikai zenésszel, és szerepelt annak „I Can Take Care of Myself” című videóklipjében is. Az 1990-es években több éven át viszonya volt Larry King rádiós-televíziós műsorvezetővel, politikai kommentátorral. 2023-ban Dickinson bejelentette, hogy pályája kezdetétől húsz éven át viszonyt tartott fenn Frank Sinatrával, akit élete szerelmének és karizmatikus személyiségnek nevezett.[8]