Детство Танеева провела в Москве и в родовом имении Рождествено под Москвой.
В 1902 году сдала экзамен при Петербургском учебном округе на звание домашней учительницы.
В январе 1904 года Анна Танеева «получила шифр» — была назначена городской фрейлиной, в обязанности которой было дежурить на балах и выходах при императрице Александре Фёдоровне.
После этого, став близкой подругой императрицы, она много лет находилась рядом с императорской семьей, сопровождала их во многих путешествиях и поездках, присутствовала на закрытых, семейных мероприятиях.
Танеева была хорошо знакома с Григорием Распутиным. На её даче в Царском Селе он неоднократно встречался с членами императорской семьи.
В 1907 Анна Танеева обвенчалась с морским офицером Александром Вырубовым в Царском Селе, но брак оказался недолговечным и уже на следующий год распался.
С началом Первой мировой войны Вырубова стала работать в госпитале сестрой милосердия наряду с императрицей и её дочерьми. Участвовала она и во многих других мероприятиях, направленных на оказание помощи фронту и солдатам-инвалидам.
2 (15) января 1915 года, выезжая из Царского Села в Петроград, Анна Вырубова попала в железнодорожную катастрофу, получив увечья такой тяжести (в том числе травмы головы), что врачи ожидали скорого смертельного исхода. Однако Вырубова выжила, хотя и осталась калекой на всю жизнь: передвигаться после этого могла лишь в инвалидном кресле-каталке или на костылях; в более поздние годы — с палочкой. После в инвалидности стали обвинять её лечащего врача Веру Гедройц, с которой она была в напряжённых отношениях.
На денежную компенсацию за полученную травму организовала в Царском Селе военный госпиталь.
После Февральской революции была арестована Временным правительством и, несмотря на инвалидность, несколько месяцев в тяжёлых условиях содержалась в Петропавловской крепости по подозрению в шпионаже и предательстве, после чего «за отсутствием состава преступления» была выпущена на свободу.
В конце августа 1917 Временное Правительство постановило выслать её за границу, об этом появилось сообщение в газетах с указанием дня и часа её отъезда. В Финляндии на станции Рихимякки громадная толпа солдат ссадила её с поезда и её отвезли через Гельсингфорс на императорскую яхту «Полярная Звезда», которая направилась в Свеаборг. Целый месяц ушёл на хлопоты, и в конце сентября Н. И. Танеева (мать Вырубовой) добилась освобождения дочери через Троцкого. А. А. Вырубову из Свеаборга вернули, доставили в Смольный и вновь отпустили. Однако угроза неминуемого нового ареста тяготела над нею по-прежнему.
После Октябрьской революции Вырубова неоднократно подвергалась арестам и допросам, содержалась в тюрьмах. Более года она скрывалась у знакомых и друзей.
В декабре 1920 г. Вырубовой удалось вместе с матерью нелегально перебраться в Финляндию, где она и прожила оставшиеся 40 лет своей жизни (под девичьей фамилией Танеева), приняв монашеский постриг с именем Мария в Смоленском скиту Валаамского монастыря. Похоронена на православном кладбище (Ильинском)в Хельсинки.
В изгнании Анна Танеева написала автобиографическую книгу «Страницы моей жизни».
В 1920-е годы в СССР начал печататься т. н. «Дневник Вырубовой», но его фальшивость была почти сразу же разоблачена даже советскими критиками и учеными. Поскольку «Дневник» стал перепечатываться и за рубежом, то с публичным опровержением его подлинности пришлось выступить самой Вырубовой. (Приписывался ей и ряд подложных писем, сочинённых в советское время.)
Наиболее вероятными авторами «Дневника» считаются советский писатель А. Н. Толстой и профессор истории П. Е. Щеголев (совместно написавшие в тот же период пьесу «Заговор императрицы» с очень сходным сюжетом и лейтмотивами). В книге руководителя Федеральной архивной службы России члена-корреспондента РАН В. П. Козлова написано по этому поводу: