Figlio dello scultore Dionisio da Cortona, Annibale Mazzuoli nacque a Siena nel 1657. La sua era una famiglia di artisti, infatti i suoi fratelli Francesco, Giovanni Antonio, Giuseppe e Agostino furono tutti scultori mentre il solo Annibale fu pittore. Non si hanno notizie dei suoi primi anni e della sua formazione ma si ritiene che dopo un probabile apprendistato in famiglia per completare gli studi si sia trasferito a Roma dove certamente abitava nel 1675.
Da vari documenti e dalle sue stesse opere risulta che svolse la sua attività alternando soggiorni in Toscana con periodi trascorsi a Roma dove si sposò ed ebbe diversi figli.
Si occupò spesso di restauri di opere pittoriche e fra il 1710 e il 1712 lavorò al restauro degli affreschi della Cappella Sistina.
Morì a Roma il 28 dicembre 1743 e fu sepolto nella parrocchia di San Francesco di Paola.