Анна была дочерью ростовского князя Дмитрия Борисовича. 8 ноября 1299 года вышла замуж за князя Михаила Ярославича Тверского, 22 ноября 1318 года казнённого в Орде по приказу Узбек-хана (Михаил канонизирован). В 1326 году в Орде был казнён её сын Дмитрий Грозные Очи, а в 1339 году — другой сын Александр Михайлович Тверской и внук Фёдор Александрович.
Год её монашеского пострига неизвестен, в 1358 году примерно 80-летняя княгиня, бабка князя Михаила Александровича, упоминается уже как монахиня София, вероятно, она тогда уже была настоятельницей Тверского женского монастыря во имя св. Афанасия. В 1361 году пожертвовала несколько сёл Тверскому Отрочу монастырю, куда ушёл на покой тверской епископ Феодор (также канонизирован). Приняла участие в похоронах святителя в 1367 году. В этом же году княгиня уехала из Твери в Кашин вслед за своим младшим сыном, кашинским князем Василием Михайловичем, на короткое время захватившим Тверь и устроившим расправу над людьми своего племянника князя Михаила, который вскоре вновь его выбил из Твери при помощи литовцев. Там она и скончалась: хотя она известна как Анна Кашинская, лишь последний год своей долгой жизни она провела в этом городе. По житийной традиции, перед смертью она приняла схиму, вновь с именем Анны; на иконах она часто изображается в схиме.
Останки Анны Кашинской были найдены в 1611 году в кашинской церкви во имя Пресвятой Богородицы, причём долгое время находились в небрежении. По преданию, княгиня явилась пономарю Герасиму, исцелила его, а затем ещё нескольких больных; началось почитание её останков как чудотворных мощей. В 1649 году мощи освидетельствовали тверские духовные по повелению царя Алексея Михайловича, причём были зафиксированы новые чудеса. В 1650 году в Кашин приехал царь, мощи Анны были перенесены в соборную Воскресенскую церковь, состоялась официальная канонизация. Службу на перенесение мощей составил известный писатель Епифаний Славинецкий, в 1660—1670-е годы был написан также обширный агиографический корпус текстов: житие, сказание об обретении и перенесении мощей, «плач княгини Анны» — в подражание плачу Евдокии, жены Дмитрия Донского. Во второй половине ХХ века её мощи лежали в Церкви Святых Апостолов Петра и Павла
Спустя 10 лет после окончательного соборного анафематствования старообрядцев («раскольников»), 12 — 21 февраля 1677 года, в Кашин по распоряжению Патриарха Иоакима была отправлена новая комиссия, осмотревшая мощи княгини и обнаружившая «несогласия» с протоколами осмотра 1649 года, которые, в частности, утверждали, что правая рука княгини сложена двуперстно, что использовалось раскольниками как аргумент в пользу своих убеждений. Осмотр 1677 года, согласно протоколу, показал, что «правая рука в завитии погнулася, а длань и персты прямо, а не благословляющи». Кроме того, обнаружились многочисленные расхождения между недавно составленными житиями и летописями: так, в новых текстах утверждалось, что Анна была по происхождению не княжной, а боярышней, якобы родилась в Кашине, дата её смерти была изменена на 30 лет и т. п.
Малый церковный собор в Москве в 1677 году принял решение не почитать Анну как святую, житие и молитвы считать ложными, имя её исключить из святцев, приделы и церкви, освящённые в её честь, переименовать. Собор 1678—1679 годов подтвердил это решение. Было определено петь по Анне панихиды (а не служить молебны как святой), покров с мощей и иконы с её изображением доставить в Москву.
Однако, несмотря на деканонизацию, почитание Анны в Тверской епархии сохранялось, и тверские епископы этому не препятствовали; писались иконы, устраивались крестные ходы к месту прощания Анны с Михаилом Ярославичем, велась запись исцелений (до 1746) и т. п. Уже в 1818 году Святейший Синод разрешил включить имя Анны в месяцесловы, а в 1899—1901 годы началась негласная подготовка к восстановлению церковного почитания, в частности, возобновилась запись исцелений и иных чудес.
В 1908 году на повторную канонизацию было дано согласие Николая II. 11 апреля 1909 года Синод объявил днём памяти Анны 12 июня (25 июня н. ст. в XX и XXI в.) — годовщину перенесения мощей в 1650 году. В том же году в честь Анны Кашинской была освящена церковь в Петербурге, ставшая подворьем Кашинского Сретенского монастыря (с 1992 года подворье Введено-Оятского монастыря), а в 1914 году — церковь Серафима Саровского и Анны Кашинской на новом кладбище Донского монастыря в Москве.
В наше время Анна Кашинская почитается также в день своей кончины (2 октября ст. ст.) и в Соборе Тверских святых (1-е воскресенье после 29 июня ст. ст.).
В 2009 году мощи святой княгини находились для поклонения в Санкт-Петербурге, в церкви Анны Кашинской подворья Введено-Оятского монастыря (самый первый русский храм, посвящённый этой святой).
Анна Ахматова, «Причитание»:
И выходят из обители,
Ризы древние отдав,
Чудотворцы и святители,
Опираясь на клюки.
Серафим — в леса Саровские
Стадо сельское пасти,
Анна — в Кашин, уж не княжити,
Лен колючий теребить.
Дмитрий Балашов, «Великий стол»