Fratello minore di Ludovico e Agostino Carracci, Annibale nacque a Bologna nel 1560. Fu probabilmente allievo del fratello Ludovico e con i fratelli fu membro dell'Accademia degli Incamminati, fondata proprio dai Carracci verso la fine del Cinquecento.
L'Accademia, una delle prime a sorgere in Italia, si proponeva di dare ai pittori, fino ad allora considerati solo degli artigiani, una formazione di base completa e non solo a livello pratico ma anche teorico. Inoltre gli artisti, nonostante il divieto della Chiesa, avevano a disposizione modelli nudi. Annibale portò avanti l'Accademia ma si staccò presto dallo stile del fratello Ludovico rivolgendosi piuttosto alle correnti tardomanieristiche come dimostrano alcune sue opere (Crocifisso in San Nicolò a Bologna; Bottega del macellaio nella Christ Church di Oxford; il Mangiafagioli della Galleria Colonna a Roma. Con forti ricordi dal Correggio sono invece opere come: Deposizione (Galleria Nazionale di Parma) e Assunzione (Pinacoteca di Dresda).
Intorno al 1590 gli interessi del pittore si spostarono verso la pittura veneta: Vergine in trono e santi(Pinacoteca di Dresda), Assunzione (Pinacoteca nazionale di Bologna), Vergine e santi (Parigi, Louvre).
Le Storie di Romolo, in palazzo Magnani a Bologna, dipinte su tela, ma inserite nella decorazione architettonica realizzata a monocromo, fu il primo degli importanti cicli decorativi dell'artista, che acquistò una sua propria autonomia con particolare amore per la natura.
Nel 1595 si recò a Roma dove, in palazzo Farnese, decorò dapprima il soffitto del camerino con storie di Ercole (Ercole al bivio nella Galleria di Capodimonte a Napoli) e quindi, con l'aiuto di collaboratori, la volta e le pareti della galleria, sua opera capitale, nella quale si uniscono l'originalità di concezione e l'alta qualità di esecuzione, vero punto di partenza per tutte le grandi imprese decorative barocche.
Le sue ultime opere sono tra le sue più felici: Fuga in Egitto (Roma, Galleria Doria Pamphili); Pietà, Samaritana al pozzo (Vienna, Kunsthistorisches Museum); Martirio di san Sebastiano (Parigi Louvre).
Trionfo di Bacco e Arianna (particolare) 1595-1600, affresco, Palazzo Farnese, Roma