Ann Gillis est née Alma Mabel Conner le 12 février 1927 à Little Rock, en Arkansas. À sept ans, elle a fait ses débuts au cinéma dans Men in White (1934), en tant que figurante. Au cours des deux années suivantes, elle a eu des rôles non crédités dans six autres films jusqu'à obtenir son premier rôle important dans King of Hockey (1936). Les studios Warner Brothers lui ont accordé un temps d'écran considérable dans ce film, espérant qu'elle deviendrait une nouvelle Shirley Temple. Bien que, comme tous les enfants stars des années 1930, elle n'ait jamais atteint la célébrité de Temple, elle a joué dans de nombreux films pendant plusieurs années, incarnant presque toujours des personnages gâtés et pleurnichards. Elle a eu deux rares rôles sympathiques en tant que Becky Thatcher dans Les Aventures de Tom Sawyer (1938) et dans le rôle titre de La Petite Orpheline Annie (1938). Une scène des Aventures de Tom Sawyer exigeait qu'elle sombre dans une crise d'hystérie en criant lorsque son personnage se retrouvait piégé dans une grotte remplie de chauves-souris, et Gillis a livré une performance puissante qui reste probablement la scène la plus mémorable de sa carrière cinématographique. Cependant, à mesure que Gillis grandissait, sa carrière s'est ralentie et elle a quitté Hollywood en 1947. En quittant Hollywood, elle a épousé Paul Ziebold et a eu deux fils. Elle a ensuite divorcé, s'est installée à New York et a épousé Richard Fraser, un acteur d'origine écossaise (ils ont eu un fils né en 1958). Au cours des années 1950 et 1960, Gillis a fait des apparitions sporadiques à la télévision et, en 1959, elle a présenté une diffusion nationale des Aventures de Tom Sawyer. Gillis et son mari se sont installés en Angleterre en 1961 et vivaient à Londres lorsqu'ils ont entendu parler d'un casting pour 2001 : L'Odyssée de l'espace (1968) qui recherchait une actrice américaine vivant dans la ville. Gillis a passé une audition et a obtenu le rôle ; c'est son dernier film à ce jour. Ann a déménagé en Belgique en 1972, où elle a rencontré et épousé le Belge René Van Hulst (décédé en 1999). Elle a vécu en Belgique de 1972 à 2014 et est devenue citoyenne belge, consacrant une grande partie de son temps à la peinture et à la musique, elle était une pianiste et harpiste accomplie. Elle s'est installée en Angleterre en décembre 2014 et s'est éteinte paisiblement le 31 janvier 2018.
