После смерти отца в 1696 вместе с матерью и сестрами жила в подмосковном селе Измайлово, где получила домашнее образование. В 1708 по приказу Петра I семья переселилась в Петербург, и в 1710 Анна была выдана замуж за герцога Курляндского Фридриха Вильгельма, который умер в январе 1711 на пути из Петербурга в Курляндию, куда молодые отправились вскоре после свадьбы. Анна хотела было вернуться назад, но по настоянию Петра I вынуждена была жить в Митаве. Враждебно встреченная курляндским дворянством, она уже вскоре попала под влияние русского резидента П. М. Бестужева, который стал ее фаворитом. Находясь в крайне стесненных материальных обстоятельствах, не любимой собственной матерью Анне приходилось постоянно обращаться к российскому двору и своим родственникам в Петербурге с униженными просьбами о помощи. В 1726 в результате интриг А. Д. Меншикова, претендовавшего на курляндский престол, расстроился брак Анны с графом Морицем Саксонским. После отзыва Бестужева с 1727 ее фаворитом стал Э. И. Бирон, от которого по некоторым данным Анна имела сына, официально считавшегося рожденным женой Бирона. В 1730 в условиях династического кризиса после смерти Петра II она была приглашена членами Верховного тайного совета на российский престол и подписала предложенные ей верховниками «Кондиции», ограничивавшие самодержавие. Однако по прибытии в Москву, Анна разорвав «Кондиции», была провозглашена самодержавной императрицей. Ее опорой были сторонники самодержавного правления и гвардия.

Анна Ивановна обладала тяжелым характером, была капризна, отличалась злопамятностью и мстительностью. Петербургский двор времен Анны Ивановны представлял собой смесь старомосковских порядков с элементами новой европейской культуры, привнесенных в Россию петровскими нововведениями. Не имея способностей и склонности к государственной деятельности, императрица проводила время в праздных придворных развлечениях среди шутов, лилипутов, блаженных, гадалок, старух-приживалок. Она любила выступать в роли свахи, обожала охоту, истребляя каждый год по несколько сот загнанных для нее животных. Особую известность получила устроенная ей в феврале 1740 шутовская свадьба князя М. Голицына-Квасника с калмычкой А. Бужениновой в специально выстроенном Ледяном доме. Вместе с тем при дворе были популярны итальянская опера и балет. По приказанию Анны Ивановны был построен театр на 1000 мест, а в 1737 открыта первая в России балетная школа.

Внутренняя и внешняя политика России времен Анны Ивановны в целом была направлена на продолжение линии Петра I. После роспуска в 1730 Верховного тайного совета было восстановлено значение Сената, а в 1731 создан Кабинет министров, фактически управлявший страной. Не доверяя прежней политической верхушке и гвардии, императрица создала новые гвардейские полки — Измайловский и Конный, комплектовавшиеся иностранцами и однодворцами Юга России. Одновременно был удовлетворен ряд важнейших требований дворянства, выдвинутых во время событий 1730. В 1731 был отменен петровский Указ о единонаследии (1714) в части порядка наследования недвижимых имений, учрежден Шляхетский корпус для детей дворян, в 1732 в два раза увеличено жалованье русским офицерам, в 1736 установлен 25-летний срок службы, после которого дворяне могли выходить в отставку, разрешено оставлять одного из сыновей для управления имением. Одновременно была продолжена политика на закрепощение всех категорий населения: указом 1736 все рабочие промышленных предприятий объявлены собственностью их владельцев. Царствование Анны Ивановны отмечено подъемом российской промышленности, прежде всего металлургической, вышедшей на первое место в мире по производству чугуна. Со второй половины 1730-х гг. началась постепенная передача казенных предприятий в частные руки, что было закреплено Берг-регламентом (1739), стимулировавшим частное предпринимательство.

Царствование Анны Ивановны также вошло в историографию и как время «бироновщины», что обычно трактуется как засилье иностранцев и ужесточение полицейских репрессий. В реальности занимавшие высокие должности при ее дворе Бирон, Б. К. Миних, А. И. Остерман, братья Левенвольде и др. участвовали в борьбе за политическое влияние на императрицу наряду с русскими вельможами, не образовывая единой «немецкой партии». Число осужденных в эти годы Тайной канцелярией в среднем почти не отличалось от аналогичных показателей предшествующего и последующего времени, и среди них практически не встречаются дела, связанные с антинемецкими настроениями. Наиболее известны процессы против князей Долгоруких, князя Д. М. Голицына, а также дело А. П. Волынского.

Анна была подчеркнуто набожна, суеверна, проявляла заботу об укреплении православия. При ней были открыты новые духовные семинарии, установлена смертная казнь за богохульство (1738).

Фактическим руководителем русской внешней политики при Анне Ивановне был А. И. Остерман, в 1726 добившийся подписания союзного договора с Австрией, который определил характер внешней политики страны на несколько десятилетий. В 1733-1735 союзники совместно участвовали в войне за «польское наследство», результатом которой было изгнание Станислава Лещинского и избрание на польский престол Августа III. Во время русско-турецкой войны 1735-1739 русская армия дважды (1736, 1738) входила в Крым и разоряла его, были захвачены турецкие крепости Очаков и Хотин. Однако неумелые действия командовавшего армией Миниха, приведшие к большим людским потерям, вынудили Россию подписать невыгодный для нее Белградский мир, по которому она должна была вернуть Турции все завоеванные земли.

Незадолго до смерти Анна Ивановна провозгласила наследником престола своего внучатого племянника малолетнего Ивана Антоновича, а регентом при нем Бирона. Похоронена Анна Ивановна в Петропавловском соборе Петербурга.