Родилась 1 декабря 1881 года.
В 1891 принята на балетное отделение Петербургского театрального, училища (педагоги А.А.Облаков, Е.О.Вяземский, П.А.Гердт). На выпускном спектакле выступила в партии Дочери дворецкого в специально поставленном Гердтом балете Мнимые дриады .
С 1899 года - танцовщица Мариинского театра. Дебютировала в том же году в Па де Труа в Тщетной предосторожности . В 1906 переведена в разряд балерин. В 1910 перешла на положение гастролёрши.
В постановках М. И. Петипа, Л. И. Иванова и их предшественников определилось многообразие возможностей Павловой: музыкальность и психологическую содержательность её танца, эмоциональная действенность игры, широта жанрового диапазона. Её выступление в Баядерке (1902) дало вторую жизнь образу Никии, истолкованному в плане высокой трагедии духа, внесло перелом в сценическую жизнь спектакля. В образе Жизели (1903) психологизм трактовки вёл к поэтически просветлённому финалу. Павлова исполняла партии, где классическая основа имела национальную характерную окраску. Зажигательный, бравурный танец её испанских героинь-Пахиты, Китри (обе 1907) был высоким образом исполнительского мастерства и стиля своего времени. Обращалась и к собственно характерным танцам: панадерос ( Раймонда ), уральская пляска ( Конёк - Горбунок ), испанский танец ( Щелкунчик ), Вакханка ( Времена года ). С новаторскими поисками балетмейстера А. А. Горского, стремившегося к драматизации балетного действия, связаны в репертуаре Павловой партии Китри и БинтАнты ( Дочь фараона ). Последнюю она сначала исполнила в Большом театре (1906), а затем танцевала партию Аспиччии в традиционной постановке того же балета на петербургской сцене.
Павлова сыграла важную роль в реформах М.М.Фокина как первая исполнительница главных партий в созданных им балетах: Виноградная лоза (1906), Эвника (1907; Актея, затем и Эвника), Шопениана , Павильон Армиды (оба 1907; Армида), Египетские ночи (1908, Береника). В них проявились одухотворённый психологизм и музыкальность артистки. Главными ценностями творческого союза Павловой и Фокина явились произведения, где танец подчинён духовно-выразительным задачам: Шопениана , Лебедь на муз. К. Сен-Санса (1907, позже под названием Умирающий лебедь ), ставший поэтическим символом русской хореографии этой эпохи. Отдавая дань новаторству Фокина, Павлова по-прежнему хранила преданность русской балетной классике.
С 1908 гастролировала за рубежом. В 1909 году - виднейшая участница Русских сезонов в Париже, положивших начало её всемирной известности. В 1910 году создала собственную труппу, которая с триумфальным успехом выступала во многих странах.
На сцене Мариинского театра Анна Павлова последний раз выступила в партии Никии в 1913 году, последняя гастроль балерины в России состоялась в Москве в Зеркальном театре сада Эрмитаж (1914).
Павлова сохраняла в гастрольном репертуаре балеты П.И.Чайковского и А.К.Глазунова, Тщетную предосторожность , Жизель , Коппелию , Пахиту , а также концертные номера. В её труппе работали русские балетмейстеры и преимущественно русские танцовщики, с ними создавались новые хореографические миниатюры: Ночь и Вальс-каприз на музыку А.Г.Рубинштейна, Стрекоза на музыку Ф.Крейслера, Калифорнийский мак на музыку Чайковского. Фокин специально для труппы Павловой поставил в 1913 году Прелюды на музыку Ф.Листа и Семь дочерей Горного короля на музыку А.А.Спендиарова.
Творческий облик Павловой сложился на русской сцене. В своих многочисленных концертных номерах она опиралась главным образом на традиции отечественного искусства. Слава Павловой стала легендарной. Её подвижническое служение танцу пробудило во всём мире интерес к хореографии и дало толчок к возрождению зарубежного балетного театра.
Снималась в художественном фильме Немая из Портичи в роли Фенеллы (1915, США); отснятые в 1924 году в Голливуде миниатюры в исполнение Павловой вошли в фильм Бессмертный лебедь (1956).
Павловой посвящены балет Моя Павлова (балетмейстер Р.Пети), художественный кинофильм Анна Павлова (1983), документальный фильм Анна Павлова .
Анна Павлова скончалась 23 января 1931 года.