Ангелина Степанова родилась 23 ноября 1905 года в Хабаровском крае в семье страхового агента и зубного доктора. Позже семья переехала в столицу, где девочка училась в балетной школе и окончила гимназию. В 1921 году поступила в театральную школу при III-й Студии МХТ, которую закончила в 1924 году, и стала актрисой МХАТа.
На актерском счету Степановой свыше сотни спектаклей, картин, фильмов-спектаклей и радиопостановок. В 1932 году она дебютировала на экране в роли курсистки в фильме «Мёртвый дом». В 1952 году актриса получила Сталинскую премию 1-ой степени за исполнение роли Бетси в спектакле «Плоды просвещения» Л. Н. Толстого.
Первым супругом Ангелины стал режиссер МХАТа Н.М. Горчаков. В 1928 году она встретила литератора Николая Эрдмана, и между ними возникла связь. Однако оба на тот момент были несвободны и не решились уйти из семей. В 1933 году Эрдмана отправили в ссылку, во время которой они поддерживали связь. Письма Степановой и Эрдмана сохранились, и много лет спустя их выпустили в качестве книги.
Во второй раз официально Ангелина вышла замуж за писателя и журналиста Александра Фадеева. У актрисы было двое сыновей, один из них, Александр, тоже стал актером.
Актриса скончалась 17 мая 2000 года в возрасте 94 лет. В последние годы жизни Степанова не давала интервью и вела замкнутый образ жизни. Осуждала раздел МХАТа. В последний раз появилась на публике на мероприятии по случаю 100-летия со дня открытия МХТ. Похоронена на Новодевичьем кладбище.