Fille naturelle, abandonnée par sa mère, elle est élevée chichement par sa grand-mère maternelle à Rome, et fit son éducation dans un couvent.
Elle commence sa carrière artistique en chantant dans des cabarets et des night-clubs avant d'intégrer l'Académie d'art dramatique de Rome. Commencent ensuite des tournées à travers le pays avec des compagnies théâtrales à répertoire minimal.
Ses débuts au cinéma ont lieu en 1927 avec un petit rôle dans un film muet, Scampolo, suivi d'un rôle de premier plan dans La Prisonnière des ténèbres (La Cieca di Sorrento) de Nunzio Malasomma en 1934.
En 1935, elle épouse
Goffredo Alessandrini qui la fit jouer dans La Cavalerie héroïque (Cavalleria) en 1936. Leur union dura peu de temps et le mariage fut annulé en 1950.
Elle devint une actrice connue avec le rôle qu'elle eut en 1941 dans Mademoiselle Vendredi (Teresa Venerdi), réalisé par
Vittorio De Sica. Sa véritable percée et sa réputation mondiale se firent avec
Roberto Rossellini dans le film
Rome, ville ouverte (Roma, città aperta) en 1945, généralement considéré comme le premier film néoréaliste commercial de l'après-guerre.
Dès lors, elle ne cessa de travailler pour le cinéma et la télévision, recevant un Oscar de la meilleure actrice pour sa performance dans la version cinématographique de La Rose tatouée (The Rose Tattoo) de Daniel Mann d'après la pièce de
Tennessee Williams (Williams et elle étaient des amis proches), et travaillant avec les plus importants réalisateurs italiens durant les années 1950, 1960 et 1970.
Elle était réputée pour ses rôles de femme plébéienne, rude et passionnée. Elle eut une liaison avec
Roberto Rossellini entre la réalisation de
Rome, ville ouverte et sa rencontre à scandale avec
Ingrid Bergman. Anna eut un enfant naturel avec un acteur italien, un garçon qui fut victime de la poliomyélite, et elle consacra sa vie à prendre soin de lui.
Le dernier film dans lequel elle joua fut
Fellini Roma, en 1972. Elle mourut l'année suivante, à Rome, d'un cancer du pancréas.