Anna nasce a Roma nel 1908, figlia di una donna romagnola, Marina Magnani, e di un uomo di origine calabrese che non conobbe mai. Poco dopo la sua nascita sua madre si trasferisce ad Alessandria d'Egitto e la bambina rimane a Roma affidata alla nonna e alle sue cinque zie. Frequenta il liceo e studia pianoforte. Nel 1927 si iscrive alla scuola di recitazione Eleonora Duse (che diventerà successivamente l'Accademia d'Arte Drammatica) presso l'Accademia di Santa Cecilia. Il suo soprannome è 'Nannarella'. Qualche anno dopo entra a far parte della compagnia teatrale diretta da Dario Niccodemi, e successivamente passa alla rivista con i fratelli De Rege. Anna prosegue la sua carriera artistica dividendo il palcoscenico con artisti quali Ave Ninchi e Gino Cervi. Nel 1934 esordisce nel cinema con una piccola parte in "La cieca di Sorrento" di Nunzio Malasomma. Nel 1935 sposa il regista Goffredo Alessandrini col quale recita in "Cavalleria" nel 1936. Fa teatro di rivista con Totò e nel 1941 Vittorio De Sica in "Teresa Venerdì" sa far emergere le sue capacità comico-satiriche. Nel 1942 lascia il marito, innamorata del giovane attore Massimo Serato, dal quale ha il figlio Luca con cui l'attrice avrà sempre un rapporto molto esclusivo. L'approdo al cinema avviene negli anni del fascismo, nel periodo dei cosiddetti Telefoni bianchi, in cui le donne sono generalmente considerate alla stregua di soggetti marginali, e anche la Magnani dovrà adattarsi a ruoli che non mettono in piena valorizzazione il suo talento artistico; è il periodo di "Finalmente soli" (1942), "Campo de' fiori" con Aldo Fabrizi, "La vita è bella", "L'ultima carrozzella" ancora con Aldo Fabrizi (1943); in alcune sue interpretazioni è la popolana istintiva, sempre scarmigliata, che raggiunge fama internazionale e il suo primo Nastro d'argento qualche anno dopo, nel 1946, con il personaggio di Pina in "Roma città aperta" di Roberto Rossellini; con il regista l'attrice si è legata sentimentalmente dopo aver interrotto la relazione con Massimo Serato. Il film la consacra come simbolo del nascente Neorealismo ed icona vivente di tutte le donne d'Italia, volitive e decise a combattere ogni sopruso, femminista ante litteram, come il personaggio di Angelina in "L'onorevole Angelina" di Luigi Zampa del 1947. E' questo un periodo di feconda attività per l'attrice: "Abbasso la miseria" (1945) di Gennaro Righelli, "Il bandito" di Alberto Lattuada e "Avanti a lui tremava tutta Roma" di Carmine Gallone del 1946, "Molti sogni per le strade" (1948) di Mario Camerini. Sempre del '48 è l'ultimo film in cui è diretta da Rossellini: "L'amore".