Pochází z New Yorku z Brooklynu z rodiny právníka Geralda Hathawaye, její matka Kate McCauley-Hathawayová je herečka a zpěvačka, její dědeček Joe McCauley patřil mezi výrazné osobnosti rozhlasového vysílání ve Filadelfii. Rodiče ji úmyslně pojmenovali Anne, to proto, aby se jmenovala stejně jako manželka britského dramatika Williama Shakespeara. Už v dětství hezky zpívala i tančila. Nejprve studovala na vysoké škole angličtinu, ale brzy svůj zájem obrátila k divadlu. V roce 1999 poprvé úspěšně účinkovala v jinak dost neúspěšném televizním seriálu Get Real, za který byla poprvé nominována na cenu Teen Choice Award.

Hned svým filmovým hollywoodským debutem zaznamenala velký úspěch v rodinném pohádkovém snímku Deník princezny z roku 2001 režiséra Garryho Marshalla, kde si zahrála ústřední postavu princezny Mii Thermopolisové. Za tuto roli byla podruhé nominována na cenu Teen Choice Award. Její vůbec první nízkorozpočtový snímek Odvrácená strana nebe se natáčel dříve než Deník princezny, ale do kin byl uveden úmyslně z komerčních důvodů až později.

Později si zahrála v dalších známých filmech. Moderní Popelku ztvárnila v koprodukční filmové pohádce Zakletá Ella, známou se stala i díky postavě z Oscarem ověnčeného snímku Zkrocená hora. S Meryl Streepovou si zahrála hlavní roli ve filmu Ďábel nosí Pradu. Britskou spisovatelku Jane Austenovou ztvárnila ve filmu Vášeň a cit. V roce 2010 pak vytvořila, postavu zimní královny ve snímku Alenka v říši divů. V přípravě je životopisný snímek Get Happy: The Life of Judy Garland, kde má hrát americkou zpěvačku a herečku Judy Garlandovou.