Elle passe sa toute jeune enfance dans le Var avant de s'installer à Nantes avec sa famille.
Après un passage éclair à la Fémis, elle entre au Conservatoire national supérieur d'art dramatique (CNSAD) de Paris, où elle étudie sous la direction de Daniel Mesguich jusqu'en 2001.
Dès 1997, Anna Mouglalis se lance dans une carrière théâtrale, comme assistante du metteur en scène Michel Pascal pour son spectacle La Nuit du Titanic, au Théâtre Rive-Gauche (Paris XIVe) avec Bernard-Pierre Donnadieu, Jean-Pierre Castaldi et Nicolas Giraudi.
Elle joue L'Éveil du printemps, de Frank Wedekind, avec Yves Beaunesne, créé au Quartz de Brest puis passant par la France et la Suisse. En janvier 2003, elle revient au théâtre et joue Rébecca dans La Campagne (The Country) du dramaturge anglais Martin Crimp au théâtre de Créteil (94).
En septembre 2004, elle interprète le rôle principal dans la pièce Héroine écrite et mise en scène par Asa Mader, et mise en musique par Emmanuel Deruty, dont la première a eu lieu au Castello Maniace de Syracuse, en Sicile.
- 2003 : La Campagne de Martin Crimp, mise en scène Louis-Do de Lencquesaing, Maison des Arts et de la culture de Créteil , Théâtre de l'OEuvre
Anna Mouglalis débute au cinéma en 1997 dans Terminale de Francis Girod. Elle fera ensuite une apparition en 2000 dans La Captive de Chantal Akerman.
Mais le grand public la découvre fin 2000 dans Merci pour le chocolat, un thriller de Claude Chabrol (réalisateur de La Cérémonie) dans lequel elle incarne, aux côtés de Jacques Dutronc et Isabelle Huppert, une jeune pianiste suspectant son mentor (Dutronc) d'être son père. En 2001, elle interprète ensuite le rôle d'une infirmière dans De l'histoire ancienne d'Orso Miret. Son premier grand rôle principal sera dans Novo de Jean-Pierre Limosin.
En 2003, elle interprète le rôle principal dans La Maladie de la mort, premier film d'Asa Mader qui est sélectionné au Festival de Venise.
En 2005, elle est Patrizia dans
Romanzo Criminale, réalisé par Michele Placido et inspiré de la Bande de la Magliana.
En 2006, dans le téléfilm Les Amants du Flore, elle incarne une jeune Simone de Beauvoir lors de sa rencontre avec Jean-Paul Sartre, incarné par Loránt Deutsch.
En 2008, elle est "la serveuse" dans J'ai toujours rêvé d'être un gangster de Samuel Benchetrit.
En 2009, elle incarne le personnage de Coco Chanel dans Coco Chanel & Igor Stravinsky.
En 2010, elle est Juliette Gréco dans le biopic Gainsbourg, vie héroïque.