Anna Castillo comenzó a prepararse como actriz desde los siete años, en centros de arte en Madrid y Barcelona. A los 12 años se integró a las filas del grupo musical sp3, de 2005 a 2011, como vocalista y bailarina. Debutó en televisión en la cinta El enigma Giacomo (2009), pero fue años más tarde que alcanzó popularidad por su interpretación en la película El olivo (2016) de Icíar Bollaín, por la que ganó el Goya a la mejor actriz revelación, y por protagonizar el musical de La llamada (2013-2016), que más tarde se convirtió en película, por la que fue nominada al Goya como mejor actriz de reparto. En posteriores años volvió a recibir dicha nominación por su interpretación en Viaje al cuarto de una madre (2018) y también como mejor actriz protagonista por la película Girasoles silvestres (2022). Recientemente, protagonizó la esperada serie de Netflix, Un cuento perfecto (2023), basada en la novela del mismo nombre de Elísabet Benavent.