Anna Mouglalis est d'origine nantaise mais vit à Paris. Elève au Conservatoire d'Art Dramatique de Paris, outre quelques expériences au théâtre (notamment "L'éveil du printemps", de Wedekind, en 1998) et quelques courts métrages, elle débute au cinéma dans le rôle de Claire en 1997, lycéenne en colère après le suicide d'une de ses camarades, dans le film de Francis Girod "Terminale". 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.
