Ihr Tante väterlicherseits ist Anna Maria Torv Mann, die 31 Jahre mit dem Medienmiiliardär Rupert Muroch verheiratet war. Doch ihre Rolle in Fringe hat sie fair gewonnen, denn J.J. Abrams wollte sie unbedingt besetzen nachdem er sie woanders gesehen hatte.
Anna Torv kommt in Melbourne zur Welt und wächst zusammen mit ihrem jüngeren Bruder an der Gold Coast im Nordosten Australiens auf. Ihr Vater Hans Torv hat estnische Wurzeln, ist aber in Schottland geboren. Nachdem sich ihre Eltern scheiden lassen, als Torv acht Jahre alt ist, verliert sie den Kontakt zu ihrem Vater. Nach der Highschool studiert sie Schauspiel an Australiens renommierten National Institute of Dramatic Arts (NIDA) und macht 2001 ihren Abschluss.
Nachdem Anna Torv zunächst Schauspielerfahrungen am Theater sammelt, übernimmt sie ihre erste kleine Rolle in dem TV-Spielfilm „White Collar Blue“ (2002). Kurz darauf ergattert sie eine reguläre Rolle in der Krimiserie Young Lions (2002). Anschließend zieht die Schauspielerin nach Adelaide um für das Drama „Travelling Light“ (2003) zu drehen. Danach tourt sie über Australiens Theaterbühnen mit einer Inszenierung von Hamlet.
Anna Torv kehrt nach Melbourne zurück und schließt sich dem Cast der beliebten australischen Serie The Secret Life of Us (2005-05) an, in der sie Nikki Martel porträtiert. Es folgt eine Gastrolle in der erfolgreichen Serie McLeod's Daughters (2004), in der sie die Cousine der McLeods spielt. Nach ein paar kleinen Filmrollen erscheint sie in der BBC-Serie Mistresses (2008) in einer wiederkehrenden Rolle als die lesbische Alex, die eine Affäre hat.
Die Darstellerin feiert 2008 mit der Hauptrolle der Olivia Dunham in der Serie Fringe ihren großen Durchbruch und avanciert zur neuen Traumfrau der Sci-Fi-Geeks. Zwischen 2008 und 2013 beschäftigt sie sich als FBI-Agentin mit Fällen, die mit Methoden der herkömmlichen Wissenschaft nicht zu erklären sind, doch auch sie schien ein Teil des Experiments zwischen den Welten zu sein. 2009 wird sie ihn ihrem Heimatland mit dem Film Breakthrough Award und 2010 mit dem Saturn Award in den USA ausgezeichnet. Ebenfalls 2010 ist die Schauspielerin außerdem in einer Episode der Miniserie The Pacific zu sehen.
Nach dem Ende der US-Serie Fringe spielt Torv in „Love Is Now“ (2014) und im australischen Drama „The Daughter“ (2015) mit. Auch in der australischen Miniserie Deadline Gallipoli ist sie 2015 dabei. Im Jahre 2016 und 2019 ist Anna Torv in der australischen Serie Secret City in einer Hauptrolle zu sehen, außerdem spielte sie in der Netflix-Serie Mindhunter als Wendy mit.
Anna Torv hat sich am Set von Fringe in ihren Kollegen Mark Valley verliebt. Das Paar heiratete im Dezember 2008 geheiratet. Doch die Ehe der beiden Darsteller hielt nur knapp ein Jahr.