Née le 26 avril 1978, Anna Mouglalis passe une partie de son enfance entre Fréjus, dans le Var, et Nantes, où réside toute sa famille après avoir émigré de Grèce. Elle a vécu avec le réalisateur Samuel Benchetrit pendant plusieurs années. Le couple a d'ailleurs donné naissance à une fille, Saül Benchetrit, en 2007. Anna Mouglalis a ensuite épousé Vincent Raes, un homme d'affaires australien, en 2013, mais le mariage ne durera que quatre mois. En 2015, la presse fait état d'une relation amoureuse avec le chanteur Benjamin Biolay. La rumeur dit même que le chanteur aurait quitté Vanessa Paradis pour l'actrice. Après son bac, Anna Mouglalis part à Paris et s'inscrit en hypokhâgne. Mais elle ressent le besoin de se tourner vers la comédie, passe par la Femis avant d'intégrer le Conservatoire national d'art dramatique de Paris. Elle commence sa carrière en tant qu'assistante-metteuse en scène auprès de Michel Pascal sur la pièce La Nuit du Titanic, en 1997. La même année, elle décroche un rôle au cinéma dans Terminale, de Francis Girod. En 2000, c'est dans Merci pour le chocolat, de Claude Chabrol qu'elle se fait remarquer. Elle y partage l'affiche avec Jacques Dutronc et Isabelle Huppert. Anna Mouglalis obtient son premier grand rôle en 2002 dans Novo, avec l'acteur espagnol Eduardo Noriega et Julie Gayet. En 2008, son compagnon Samuel Benchetrit lui offre le rôle principal dans J'ai toujours rêvé d'être un gangster avec Édouard Baer, Jean Rochefort ou encore Alain Bashung. L'actrice va alors enchainer les projets comme Les Amants du Flore (2006), Coco Chanel & Igor Stravinsky (2009) et Gainsbourg, vie héroïque (2010). En 2016, elle joue dans les trois saisons de la série télévisée Baron Noir aux côtés de Niels Arestrup et Kad Merad. En 2018, elle a également joué dans La Femme la plus assassinée du monde. En marge de sa carrière d'actrice, Anna Mouglalis est aussi très impliquée dans les œuvres caritatives. Elle a notamment participé au dîner Sauver la vie en novembre 2016, organisé par la Fondation Descartes, pour mettre l'accent sur le travail des médecins de l'hôpital Paris Descartes.