Незадолго до рождения Анны её мать обвенчалась с отставным солдатом Матвеем Павловым, этот брак вскоре распался. Многочисленные утверждения современников, в том числе двух её единокровных братьев, а также обстоятельства её воспитания и обучения не оставляют сомнений в том, что настоящим отцом Анны был московский банкир Лазарь Соломонович Поляков (1842-1914), в доме которого её мать работала горничной.

С восьми лет Анна училась в балетной школе. В 1891 г. она была принята в Петербургское училище театрального искусства на балетное отделение, а в 1898-м окончила его с отличием. Её дебют в Мариинском театре состоялся в балете "Тщетная предосторожность" в па-де-труа (танец втроем). Уже через два года Павлова станцевала главную партию в спектакле на музыку Цезаря Пуни "Дочь фараона". В 1903 г. она уже выступила в главной роли в балете "Жизель".

Большое влияние на её творчество оказало сотрудничество с балетмейстерами Александром Горским и Михаилом Фокиным. В 1906 г. Анна Павлова стала ведущей танцовщицей труппы. Она была первой исполнительницей ролей в балетах Фокина "Шопениана", "Павильон Армиды", "Египетские ночи" и др. В 1907 г. на благотворительном вечере в Мариинском театре Павлова впервые исполнила поставленную Фокиным хореографическую миниатюру "Умирающий лебедь", ставшую её визитной карточкой.

С 1908 г. она начала гастролировать за рубежом, участвовала в знаменитых "Русских сезонах" Сергея Дягилева в Париже, положивших начало её мировой славе. Афиша работы Валентина Серова с силуэтом Анны Павловой стала эмблемой "Русских сезонов". В 1910г. она начала  гастролировать с собственной труппой, для которой Фокин поставил "Прелюды" на музыку Листа и "Семь дочерей горного царя" на музыку Спендиарова.

В июне 1914 г. Павлова в последний раз выступала в России, после этого балерина постоянно жила в Англии, продолжала гастролировать по всему миру. В 1915 г. в США Павлова снялась в художественном фильме "Немая из Портичи". В 1924 г. в Голливуде были сняты миниатюры в исполнении Павловой, которые впоследствии вошли в английский документальный фильм "Бессмертный лебедь" (1935).

Именем Анны Павловой названы международные призы и премии. Номера её репертуара танцуют ведущие балерины мира. В честь великой балерины в Голландии был назван сорт белых тюльпанов, в Австралии - популярное пирожное. Её имя внесено в Зал славы Национального музея танца в Саратога-Спрингз, штат Нью-Йорк. Прах Анны Павловой покоится в колумбарии кладбища Голдерз-Грин в Лондоне.

Имя Анна происходит от библейского имени Хан(н)а, означающего "благосклонность, благоволение". Фамилия Павлова - женский патроним от имени Павел - русской формы латинского имени Paulus, происходящего от прилагательного со значением "маленький".