Ann-Kathrin Adam machte ihre Ballettausbildung an der John Cranko Schule in Stuttgart. Ab 2005 tanzte sie vierzehn Jahre an der Deutschen Oper am Rhein; erst für vier Spielzeiten unter der Leitung von Youri Vámos und ab 2009 im neuformierten Ballett am Rhein unter Martin Schläpfer. Bei Youri Vámos bekam sie die Möglichkeit, Hauptrollen in seinen Werken Erda, Spartacus und Julien Sorel zu tanzen.
Martin Schläpfer kreierte zahlreiche große Partien für sie, darunter verwundert seyn-zu sehn, 7, Roses of Shadow, Deep Field und Forellenquintett. Weitere Hauptrollen übernahm sie in Choreografien von George Balanchine, Frederick Ashton, Jerome Robbins, Mats Ek und Antony Tudor und tanzte zudem in Arbeiten von Jiří Kylián, William Forsythe, Hans van Manen, Merce Cunningham, Twyla Tharp und Paul Taylor. Choreograf:innen wie Nils Christ, Martin Chaix, Regina van Berkel, Johan Greben, Uri Ivgi, Natalia Horecna, Fernando Melo, Anna Vita, Young-Soon Hue, Antoine Jully und So Yeon Kim kreierten Rollen für sie in ihren Werken. 2014 schuf Martin Chaix für sie das Ballett Eine Winterreise, in dem sie in Bonn und Krefeld zu sehen war. 2017 bekam sie den Förderpreis für Darstellende Künste der Stadt Düsseldorf verliehen.
Von 2019 bis 2023 war Ann-Kathrin Adam Mitglied im Ballett der Oper Graz und tanzte hier Rotkäppchens Mutter (Rotkäppchen bzw. Der Wolf), Beatrice bzw. Undine (Undine) und in Schwanengesang. In der Spielzeit 2023/24 kehrt sie für Hoffmanns Erzählungen, Anton Foersters Die Nachtigall von Gorenjska sowie für das Sitzkissenkonzert 1,2,3 – tanz mit mir! an die Oper Graz zurück.