Анна Демидова родилась в Череповце. Её отец — мещанин Степан Александрович Демидов — был гласным Череповецкой городской думы и уездного земского собрания членов городской управы, а также председателем «Череповецкого общества взаимного от огня страхования». У Анны был брат (Н. Демидов — один из учредителей череповецкого «Дома трудолюбия», вносил деньги на его развитие, а также содержание училища и бесплатной столовой для бедных при нём) и сестра Елизавета.
Анна Демидова училась в Леушинской школе. Знала несколько иностранных языков, играла на фортепиано.
По семейному преданию, императрица Александра Фёдоровна заинтересовалась её рукодельем на выставке рукодельных работ Леушинского монастыря в Ярославле, и таким образом Анна попала на службу комнатной девушки при царской семье в 1901 году.
За эту службу ей и её родственникам было пожаловано потомственное дворянство.
Авторы книги «Романовы. Судьба царской династии» Г. Кинг и П. Вильсон утверждают, что Анна Демидова была влюблена в учителя царских детей — англичанина Сиднея Гиббса, хотя источника этой информации не приводят.
После Февральской революции 1917 года осталась вместе с царской семьей и последовала за ними в ссылку в Тобольск, а затем и в Екатеринбург.
Была убита вместе с семьёй Николая II и другими оставшимися с семьёй слугами в Екатеринбурге в ночь с 16 на 17 июля 1918 года в подвале дома Ипатьева. В страшные мгновения убийства она в ужасе металась по подвалу, пытаясь защититься от пуль подушкой. Видимо попавшие в неё пули отскакивали от бриллиантов, которые она предварительно зашила в своё платье, пытаясь таким образом сохранить драгоценности для царской семьи. Первые выстрелы не смогли убить её и палачам пришлось её добивать. Известно, что она была высокого роста. Труп её даже приняли за тело императрицы.
Пулемётчик А. Кабанов вспоминал:
Охранник А. Стрекотин вспоминал:
В 1981 году Анна Демидова была вместе со всеми жертвами екатеринбургского убийства канонизирован Русской Православной Церковью за рубежом (наряду с семьёй Николая II тогда же были канонизированы находившиеся при ней слуги). Мотивом такого решения стали прецеденты канонизации жертв гонений на христиан, не принявших крещение (например, язычников, присоединявшихся к христианам во время казни - см. Сорок Севастийских мучеников).
Русская православная церковь Московского патриархата, канонизируя в 2000 году царскую семью, не упомянула в своем решении слуг, в том числе Анну Демидову.
17 июля 1998 года внучатая племянница Анны Демидовой — Наталия Демидова — присутствовала на церемонии захоронения останков царской семьи и их слуг в Петропавловском соборе Санкт-Петербурга.
30 октября 2009 года Генеральная прокуратура Российской Федерации приняла решение о реабилитации 52 приближённых царской семьи, подвергшихся репрессиям, в том числе Анны Демидовой..