Анна Карина родилась в Копенгагене в семье капитана. Её родители развелись и она провела первые годы в семье своей бабушки. С 8 лет она жила с матерью. В 14 лет она начала карьеру певицы в кабаре, выступала в коммерческих радиопрограммах и снималась в короткометражных фильмах.
Первой её значительной ролью в кино была роль в фильме «Девушка в башмачках», который был представлен на Каннском кинофестивале.
В 1958 году она переехала в Париж, где по совету Пьера Кардена и Коко Шанель приняла псевдоним Анна Карина. В 1959 году после съёмок в рекламном ролике мыла на неё обратил внимание Жан-Люк Годар, который предложил ей роль в своём фильме. В 1960 году она снялась у него в фильме «Маленький солдат».
3 марта 1961 года она вышла замуж за Годара и прожила с ним в браке до 1967 года. К тому времени она снималась и в фильмах других режиссёров, таких как Лукино Висконти, Райнер Фассбиндер, Марта Месарош. В 1973 году она как режиссёр поставила фильм «Жить вместе», но этот фильм одобрения зрителей не получил.
После развода с Годаром Анна Карина получила известность и как театральная актриса, выступив в главной роли в спектакле «Монахиня» по Дени Дидро. Позднее она снялась в фильме Жака Риветта «Сюзанна Симонен, монахиня Дени Дидро».
После расставания с Годаром Анна Карина ещё трижды выходила замуж — за актёров Пьера Фабра (в 1974 году), Даниэля Дюваля (в 1978 году) и Денниса Берри (в 1982 году).
Она написала четыре романа «Vivre ensemble» (1973), «Golden City» (1983), «On n’ach?te pas le soleil» (1988) и «Jusqu’au bout du hasard» (1998).
Анна Карина свободно владеет датским, французским, английским, шведским и итальянским языками.