Анна Павлова в своей гримуборной
Анна Павлова родилась в Петербурге, как свидетельствует метрика, в госпитале лейб-гвардии Преображенского полка на Кирочной улице, где служил её отец — Матвей Павлович Павлов. По некоторым данным этот отставной солдат происходил из рода евпаторийских караимов, его настоящее имя было Шабетай Шамаш (Матвей), а скончался он через несколько лет после рождения дочери и был погребён на Красненьком кладбище в Петербурге (там же впоследствии похоронили и его законную жену Любовь Фёдоровну Павлову, мать Анны). Отчество «Павловна» появилось уже много позже как артистическое имя.
В детстве Анна вместе с матерью жила в Петербурге и в дачном посёлке Лигово, где у Павловых был деревянный дом. В возрасте восьми лет девочка попала на представление балета «Спящая красавица» и утвердилась в желании стать балериной, но изучать искусство балета начала в 10 лет после принятия в училище. Училась в Императорском театральном училище. В 1899 году, после выпускного экзамена, была принята в труппу Мариинского театра. Павлова посещала Петипа для прохождения с ним сцен из балетов. Минуя кордебалет, Павлова сразу же стала получать ответственные «афишные» партии в классических балетах. Став одной из ведущих танцовщиц труппы, в 1906 году Павлова получила звание балерины и блистала среди лучших исполнительниц петербургской балетной сцены начала XX века, таких как Кшесинская, Преображенская, Карсавина. 22 января 1907 года на благотворительном вечере в Мариинском театре Анна Павлова впервые исполнила поставленную для неё М. Фокиным хореографическую миниатюру «Лебедь».
Павлова танцевала партию Армиды в премьерном спектакле «Павильон Армиды» 19 мая 1909 года в «Русских сезонах» Сергея Дягилева в Париже. Участие в антрепризе Дягилева положило начало мировой известности балерины. По различным причинам Павлова ушла из труппы Дягилева, но согласилась исполнить заглавную роль в «Жизели» на гастролях Русского балета в Лондоне.
В 1907 году Анна Павлова и Адольф Больм возглавили небольшую труппу из 20 артистов для гастролей за границей. Последнее выступление балерины в Мариинском театре состоялось в 1913 году, а в России — в 1914 году: 31 мая в Петербурге, 3 июня в Москве, 7 июня в Павловском вокзале. С началом Первой мировой войны обосновалась в Англии и в Россию больше не возвращалась.
В 1921—1925 годах организатором гастролей Анны Павловой в США был американский импресарио российского происхождения Соломон Юрок. Она гастролировала в Дели, Бомбее, Калькутте, Гельсингфорс, Стокгольм, Копенгаген, Прага, Берлин, в Бостоне, Филадельфии и Балтиморе, а также Япония, Китай, Манила, острова Малайзии, Индия, Египет, Южная Америка, Австралия, Новая Зеландия.
Имя Павловой ещё при жизни балерины стало легендарным.
Желание вернуться на родину не было осуществлено — Анна Павлова скончалась во время гастролей в Гааге 23 января 1931 года от пневмонии (простудилась после репетиции в холодном и неотапливаемом зале). Согласно биографам, перед смертью балерина произнесла: «Приготовьте мой костюм лебедя!».