Après ses études secondaires au lycée Guist’hau et un passage 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 ensuite L’Éveil du printemps de Frank Wedekind, avec Yves Beaunesne, créé au Quartz de Brest puis au Théâtre de la Ville à Paris avant une tournée en France et en Suisse.
Elle revient au théâtre en janvier 2003, jouant Rébecca dans La Campagne (The Country) du dramaturge anglais Martin Crimp mise en scène Louis-Do de Lencquesaing, Maison des Arts et de la culture de Créteil, Théâtre de l’OEuvre.
En septembre 2004, elle interprète le rôle principal dans la pièce Héroïne écrite et mise en scène par Asa Mader, et mise en musique par Emmanuel Deruty, dont la première a eu lieu au château Maniace de Syracuse, en Sicile.
Anna Mouglalis débute au cinéma en 1997 dans Terminale de Francis Girod. Elle fait ensuite une apparition dans La Captive de Chantal Akerman en 2000.
Le grand public la découvre fin 2000 dans Merci pour le chocolat, un thriller de Claude Chabrol, 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 le rôle d’une infirmière dans De l’histoire ancienne d’Orso Miret. Son premier rôle comme personnage principal est dans Novo de Jean-Pierre Limosin.
En 2003, elle interprète le rôle principal dans La Maladie de la mort, premier film d’Asa Mader, 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 est Simone de Beauvoir jeune, lors de sa rencontre avec Jean-Paul Sartre (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 et Igor Stravinsky.
En 2010, elle est Juliette Gréco dans le film biographique Gainsbourg, vie héroïque.
Depuis 2016, elle tient l’un des rôles principaux de la série de Canal+, Baron noir de Ziad Doueiri, avec Niels Arestrup et Kad Merad.
En 2017, elle fait partie du jury de la Mostra de Venise 2017 présidé par la comédienne américaine Annette Bening.
Le 8 octobre 2002, après l’actrice et chanteuse Vanessa Paradis, Anna Mouglalis est choisie par Karl Lagerfeld pour devenir l’ambassadrice du parfum Allure de Chanel. En 2003, elle apparaît sur de nombreuses affiches Chanel en France. Toujours avec Lagerfeld, elle tourne en 2011 dans le film de mode The Tale of a Fairy aux côtés d’Amanda Harlech.
Sur Netflix, on peut voir son dernier film, La Femme la plus assassinée du monde de Franck Ribière.
L'Azimut - Théâtre La Piscine, Châtenay-Malabry
Mariée à Thésée, roi d’Athènes, Phèdre est secrètement amoureuse de son beau-fils Hippolyte, et fait tout pour le cacher. Lorsque la mort de Thésée est annoncée, elle se met soudain à croire à la possibilité de cet amour : la tragédie est en marche, et avec elle l’une des plus belles pièces de Racine…
Théâtre de l'Atelier, Paris
Un des essais les plus marquants de ces dernières années adapté en lecture musicale. Avec en alternance Aure Atika, Clotilde Hesme, Constance Dollé, Pomme, Jennifer Decker… Distibution en alternance.
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Théâtre de l'Atelier, Paris
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Pépinière Théâtre, Paris
L'étoile du nord, Paris
Le Centquatre (104), Paris
Théâtre Jean Arp, Clamart
Théâtre Silvia Monfort, Paris