AnnaSophia Robb ist in Denver zur Welt gekommen und ist die Tochter einer Raumgestalterin und eines Architekten. In ihren Adern fließt englisches, schottisches, dänisches, schwedisches und irisches Blut. Bevor sie sich endgültig für das Schauspielen entschied, nahm Robb an Wettbewerben in Tanz und Gymnastik teil.
Ihre erste Rolle ergatterte AnnaSophia Robb nach einem McDonald's-Werbespot in einer Episode der Serie Drake & Josh (2004). Ihre erste Hauptrolle übernahm die Jungdarstellerin anschließend in dem TV-Drama „Samantha: An American Girl Holiday“ (24). Bereits ein Jahr später gab Robb ihr Leinwanddebüt zunächst in der Kinderbuch-Adaption „Winn-Dixie - Mein zotteliger Freund“ und daraufhin als Violet Beauregarde, das Kaugummi kauende Mädchen, in dem Fantasyabenteuer „Charlie und die Schokoladenfabrik“ (beide 2005) neben Johnny Depp.
Es folgte eine Gastrolle in einer Episode der Nickelodeon-Serie Danny Phantom (2006) und darauf die Rolle der Leslie Burke in einem weiteren Fantasyfilm, in „Brücke nach Terabithia“ (2007) neben Zooey Deschanel. Außerdem steuerte Robb einen Song zum Soundtrack des Films bei: „Keep Your Mind Wide Open“. Anschließend wechselte Robb von Fantasy auf Horror und ergatterte eine Rolle an der Seite von Hilary Swank in dem Thriller „The Reaping - Die Boten der Apokalypse“ (2007).
Im gleichen Jahr war AnnaSophia Robb ebenfalls in der Romanze „Have Dreams, Will Travel“ (2007) mit von der Partie, sowie ein Jahr später in der Abenteuerkomödie „Spy School“, in dem Drama „Sleepwalking“ und der SciFi-Film „Jumper“ (alle 2008), in dem sie die jüngere Version von Rachel Bilsons Charakter mimte.
An der Seite von Dwayne Johnson stand sie für den Actionfilm „Die Jagd zum magischen Berg“ (2009) vor der Kamera und neben Melissa Leo für das drama „The Space Between“ (2010).
2011 porträtierte AnnaSophie Robb Bethany Hamilton, ein junges Surfer-Girl, das nach einer Haiattacke ihrem Arm verlor und dennoch zum Sport zurückkehrte, in dem Biopic „Soul Surfer“. In einer weiteren Hauptrolle erscheint Robb in dem Familienfilm „Khumba“ (2012), wie auch als Wendy an der Seite von Sean Bean (Smee) und Aaron Eckhart in einer Neuauflage von Peter Pans Abenteuern in „Pan“ (2012).
Einem großen Publikum wurde AnnaSophia Robb mit der Rolle der jungen Carrie Bradshaw in dem The CW-Prequel The Carrie Diaries bekannt. Sie stellte die junge Version der Stilikone aus Sex and the City über zwei Staffeln 2013-14 dar. In der historischen PBS-Miniserie Mercy Street spielt Robb 2016 eine Hauptrolle.
Ab 2020 wird sie in der Horror-Serie Emma zu sehen sein.