Anna Thalbach wurde 1973 in Ost-Berlin in eine waschechte Theaterfamilie hineingeboren. Ihre Eltern waren die Schauspieler Katharina Thalbach und Vladimir Weigl und ihre Großeltern mütterlicherseits die Schauspielerin Sabine Thalbach und der Regisseur Benno Besson. Schon als Kind stand deshalb auch Anna Thalbach in kleineren Rollen auf der Theaterbühne. Nach ihrem Schulabschluss stand zunächst eine Ausbildung als Kostümschneiderin am "Berliner Schillertheater" auf dem Steckbrief der Berlinerin. Doch schon bald feierte sie an der Seite ihrer Mutter ihren ersten Bühnenerfolg im Brecht-Stück "Mutter Courage".
1990 gab Anna Thalbach dann auch ihr Spielfilmdebüt in Hark Bohms Film "Herzlich Willkommen". Nur drei Jahre später wurde sie für ihre Rolle in "Zärtliche Erpresserin" mit dem "Max Orphüls Preis" als "Beste Nachwuchsdarstellerin" ausgezeichnet. In den nächsten Jahren folgten zahlreiche Theater-Engagements neben größeren und kleineren Rollen in TV- und Kinoproduktionen. Große Aufmerksamkeit erhielt Anna Thalbach für eine Nebenrolle im Tatort "Kindstod", für die sie 2001 mit dem "Deutschen Fernsehpreis" als "Beste Schauspielerin in einer Nebenrolle" ausgezeichnet wurde.
2008 stand Anna Thalbach mit zahlreichen deutschen Filmstars für den viel diskutierten Film "Der Baader Meinhof Komplex" als RAF-Gründungsmitglied Ingrid Schubert vor der Kamera. Es folgten weitere Charakter-Rollen in dem dokumentarischen Spielfilm "Friedrich - Ein deutscher König", in dem die Schauspielerin in die Rolle des männlichen Herrschers schlüpfte, und dem Mystery-Thriller "Du hast es versprochen". Anna Thalbachs Tochter, Nellie, tritt ebenfalls in die Fußstapfen ihrer Mutter, Großmutter und Urgroßmutter und stand als Schauspielerin schon auf der Theaterbühne.