Anna Mouglalis est encore lycéenne lorsqu'elle quitte sa Loire-Atlantique natale pour rejoindre la capitale. Elève en hypokhagne au Lycée Jules Ferry, elle passe brièvement par la Femis, puis intègre le Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique de Paris, où elle a pour professeur Daniel Mesguich. Après quelques expériences au théâtre, dont la pièce L'Eveil du printemps de Franz Wedekind, mise en scène par Yves Beaunesne, Anna Mouglalis fait sa première apparition au cinéma en 1998 dans Terminale de Francis Girod.

Egalement aperçue chez Chantal Akerman (La Captive), cette brune aux grands yeux marrons et à la voix suave est révélée au grand public par Merci pour le chocolat (2000), un thriller de Claude Chabrol dans lequel elle incarne, aux côtés de Jacques Dutronc, une jeune pianiste suspectant son mentor d'être son père. Devenue la nouvelle égérie de la maison Chanel, Anna Mouglalis est aussi la muse de la jeune génération d'auteurs français. Elle prend ainsi part à des projets aussi aventureux que La Vie nouvelle (2002), oeuvre quasi-expérimentale de Philippe Gandrieux, Novo (id.), le jeu de pistes sensuel de Jean-Pierre Limosin, et les variations sur le théâtre Léo en jouant "Dans la compagnie des hommes" (2003) de Arnaud Desplechin et En attendant le déluge (2004) de Damien Odoul. Le réalisateur Ilan Duran Cohen l'imagine quant à lui en Simone de Beauvoir dans le téléfilm Les Amants du Flore (2006).

Hors des frontières de l'hexagone où elle tourne le film à sketches de Samuel Benchetrit J'ai toujours rêvé d'être un gangster (2008), Anna Mouglalis est dirigée par les Italiens Roberto Ando (Le Prix du désir, 2004), Michele Placido (Romanzo Criminale, 2006) et Roberta Torre (Mare Nero, id.), puis, à l'occasion de Real life (2004) et de The Ikaros' Dream (2005), elle retrouve la Grèce, terre de ses ancêtres. Séduite par la personnalité de ces grandes dames que sont la styliste Coco Chanel et la chanteuse Juliette Gréco, la belle leur prête tour à tour ses traits dans la romance Coco Chanel & Igor Stravinsky (2009) de Jan Kounen et le biopic Gainsbourg - (vie héroïque) (2010) de Joann Sfar.