Анна Павлова родилась в дачном посёлке Лигово под Петербургом. Незадолго до рождения дочери её мать, Любовь Фёдоровна Павлова, обвенчалась с отставным солдатом Преображенского полка Матвеем Павловым; этот брак вскоре распался. Кто был настоящим отцом балерины, доподлинно неизвестно. По утверждениям нескольких современников, в том числе двух её единокровных братьев, отцом Анны Павловой являлся один из крупнейших московских банкиров, землевладелец Лазарь Поляков[4][5]. Балерина скрывала своё происхождение до самой смерти[6].
В детстве жила вместе с матерью в собственном доме на Николаевской улице[7][8].
В 1899 году, после окончания Императорского театрального училища, была принята в труппу Мариинского театра. Танцевала партии в классических балетах «Щелкунчик», «Конёк-Горбунок», «Раймонда», «Баядерка», «Жизель». В 1906 году стала ведущей танцовщицей труппы.
Большое влияние на её исполнительскую манеру оказала совместная работа с балетмейстерами Александром Горским и особенно Михаилом Фокиным. Анна Павлова исполняла главные роли в балетах Фокина «Шопениана», «Павильон Армиды», «Египетские ночи» и др.
В 1907 году на благотворительном вечере в Мариинском театре Анна Павлова впервые исполнила поставленную для неё М. Фокиным хореографическую миниатюру «Лебедь» (позднее распространилось название «Умирающий лебедь»), ставшую впоследствии одним из символов русского балета XX века. В 1909 году участвовала в «Русских сезонах» Сергея Дягилева в Париже, положивших начало её мировой известности. Так, присутствовавший на выступлениях Павловой директор Метрополитен-оперы Отто Кан[en] подписал с ней месячный контракт.[9] Афиша работы В. Серова с Павловой, замершей в арабеске, стала одной из эмблем «Русских сезонов».
С 1910 года Павлова гастролировала во многих странах мира вместе со своей собственной труппой. Балетмейстер Михаил Фокин поставил несколько балетов специально для труппы А. Павловой, один из которых «Семь дочерей горного короля».
Последнее выступление балерины в Мариинском театре состоялось в 1913 году, а в России — в 1914 году. С началом войны она обосновалась в Англии и в Россию больше не возвращалась.
В 1921—1925 годах Анна Павлова гастролировала по США, организатором её гастролей был американский импресарио российского происхождения Соломон Юрок. В 1921 году Анна Павлова также выступала в Индии, завоевав внимание индийской публики в Дели, Бомбее и Калькутте[10].
Имя Павловой ещё при жизни балерины стало легендарным.