Родилась в Нёйи-сюр-Сен близ Парижа. Дочь кубинского пианиста Хоакина Нина, обосновавшегося во Франции (откуда во время Французской революции уехал на Гаити, а потом в США его дед), и кубинской певицы Росы Кульмель, среди предков которой были датчане и французы; выдающимся пианистом стал один из братьев Анаис, Хоакин Нин-Кульмель. После развода родителей (1916) переехала с матерью и братьями в Нью-Йорк, где по достижении 16 лет начала работать как модель. В 1923 вышла за артиста Яна Хьюго (собственно Хью Паркер Гилер). Молодожёны обосновались в Париже, где муж увлекся банковской деятельностью, а Анаис углубилась в писательство, опубликовала книгу о Д. Г. Лоуренсе, занималась психотерапией, училась у Отто Ранка. В 1931—1934 активно общалась с Генри Миллером, дружила с Лоренсом Дарреллом, посещала Арто. В 1939 супруги вернулись в Нью-Йорк, где благодаря влиянию мужа Анаис снялась в нескольких фильмах, в частности в ленте Кеннета Энгера в роли Астарты, а также в фильме Майи Дерен Ритуал в преображенном времени. В 1955 заключила второй брак с литературным агентом Рупертом Полом.
В 1977 году впервые был опубликован роман Анаис Нин «Дельта Венеры» (англ. и нем. ), написанный писательницей ещё в 40-х годах XX века. Этот роман был экранизирован — в 1995 году Залман Кинг снял фильм «Дельта Венеры».
Почётный доктор Филадельфийского художественного колледжа (1973), член Национального института искусства и литературы США (1974).
Биографический роман об Анаис Нин в форме ее апокрифического кубинского дневника 1922-1923 гг. принадлежит Венди Герра.