Родена е в Смолян на 12 септември 1957 г. Завършва актьорско майсторство при професор Сашо Стоянов във ВИТИЗ „Кръстьо Сарафов“ през 1980 г.
Работила е в Народен театър за младежта (1980-1987) и Народен театър „Иван Вазов“.
През 2002 г. получава и наградата „Аскеер“ за поддържаща актриса за ролята в „Похапване с приятели“.
В киното започва да се снима още като дете. Дебютира във филма „Цар Иван Шишман“ на 12-годишна възраст в ролята на царица Мария. Първата ѝ по-сериозна роля е на Розмари в „Тайфуни с нежни имена“. Незабравими за публиката остават участията ѝ в „Хан Аспарух“ и „Време разделно“.
Има 2 брака – първият е със Сашо Диков (от него има дъщеря Петя), а вторият – с Ивайло Караньотов (от него има син Ангел).
През 2008 г. Аня Пенчева участва в българското шоу „Dancing Stars“, а на 16 март 2009 г. влиза във ВИП къщата на „Биг Брадър (Big Brother)“ като участник в третия сезон на „Vip Brother“.