Родилась 12 февраля 1881 г. в Санкт-Петербурге в семье отставного солдата Матвея Павловича Павлова. Существует версия, что ее отцом был банкир Лазарь Соломонович Поляков, в доме которого прачкой работала ее мать - Любовь Федоровна.
В детстве Анна Павлова проживала с матерью в Санкт-Петербурге и дачном поселке Лигово (ныне на территории Ленинградской области).
В 1899 г. окончила балетное отделение Императорского Петербургского театрального училища (ныне Академия русского балета имени А. Я. Вагановой), где ее педагогами были Екатерина Вазем и Павел Гердт.
В 1899 г. Анна Павлова стала артисткой балетной труппы Императорского Мариинского театра (ныне Государственный академический Мариинский театр). Среди исполненных ею партий были: Зюльма в "Жизели" Адольфа Адана, Фея Кандид в "Спящей красавице" Петра Чайковского, Никия в "Баядерке" Людвига Минкуса, Аспиччия в "Дочери фараона" Цезаря Пуни, Пахита в одноименном балете Эдуара Дельдевеза.
В 1907 г. широкую известность Анне Павловой принесло исполнение танцевальной миниатюры "Лебедь" (впоследствии утвердилось название "Умирающий лебедь"), поставленной для нее хореографом Михаилом Фокиным на музыку Камиля Сен-Санса из сюиты "Карнавал животных". В дальнейшем успех Павловой закрепили ее выступления в постановках Фокина "Павильоны Армиды" на музыку Николая Черепнина (партия Армиды) и "Египетские ночи" на музыку Антона Аренского (партия Вереники).
В 1909 г. балерина выступила в Париже (Франция) в спектаклях "Русских сезонов" Сергея Дягилева. По мнению специалистов, ее сценическое мастерство способствовало утверждению балета как жанра высокого, а не развлекательного искусства. В 1909 г. она также начала сочинять авторские хореографические миниатюры.
В 1910 г. Анна Павлова создала собственную труппу и отправилась с ней в кругосветное балетное турне. В 1911 г. в рамках гастролей вновь танцевала в Мариинском театре.
С 1913 г. постоянно проживала в Лондоне (Великобритания), последний раз выступила в России летом 1914 г.
В 1915 г. в США снялась в художественном фильме "Немая из Портичи" (режиссеры Филлипс Смолли и Лоис Вебер), поставленном по одноименной опере Даниэля Обера.
На протяжении 1920-х гг. Анна Павлова вела активную гастрольную деятельность, ее выступления состоялись в Австралии, Египте, Индии, Китае, Японии и др. Репертуар балерины включал партии из классических балетов, хореографические номера на основе фольклорных традиций разных народов, миниатюры собственного авторства.
Актерская выразительность, пластическая ясность жеста и сила эмоционального воздействия сформировали ее сценический образ, ставший одним из символов русского балета и мирового искусства XX века.
Анна Павлова скончалась 23 января 1931 г. в Гааге (Нидерланды) на 50-м году жизни. Ее прах захоронен в колумбарии лондонского крематория Голдерс Грин.