Își începe cariera în film la vârsta de zece ani și jumătate, fiind aleasă dintre 500 de candidați pentru a interpreta unul din cele două roluri principale din "Mica mea prințesă" (2011), alături de Isabelle Huppert. Caracterul său puternic este inspirat de copilăria regizoarei Eva Ionesco. Acest prim rol a fost bine primit de criticii de film, aducându-i o nominalizare la premiul Lumières pentru cea mai promițătoare actriță. La Festivalul de la Cannes din următorul an, Anamaria Vartolomei este aleasă să apară pe afișul secțiunii "Semaine de la critique"