Анна Старшенбаум родилась 26 апреля 1989 года в Москве.
Карьеру актрисы начала в возрасте четырнадцати лет, когда бросила школу и поступила в Московский молодёжный театр под руководством Вячеслава Спесивцева, где участвовала, в основном, в массовках.
В 2004 году поступила на эстрадный факультет ГИТИСа.
После знакомства с Владимиром Назаровым Старшенбаум снялась в маленькой эпизодической роли в фильме «Продаётся детектор лжи» (2005).
Так и не доучившись в ГИТИСе, в 2006 году Старшенбаум бросила институт и пришла работать в Центр драматургии и режиссуры под руководством А. Казанцева и М. Рощина.
Первую главную роль в кино Анна сыграла в 2008 году в фильме Леонида Рыбакова «Скажи Лео», который в этом же году стал лауреатом международного кинофестиваля «Меридианы Тихого» во Владивостоке в номинации «Приз зрительских симпатий за лучший российский фильм».
Летом 2010 года 21-летняя Старшенбаум приняла участие в эротической фотосессии в Дахабе и дала большое интервью журналу «Максим», где удостоилась сравнений с Миллой Йовович и Натали Портман. Впоследствии сожалела об откровенной фотосессии.
В 2011 году Анна входила в состав жюри ежегодного российского кинофестиваля «Окно в Европу» в Выборге в номинации «Игровое кино».
В 2012 году Старшенбаум приняла участие в образовательном проекте «Полиглот» телеканала «Культура», где вместе с другими молодыми артистами, писателями и режиссёрами под руководством полиглота-феномена Дмитрия Петрова пыталась освоить итальянский язык «с нуля» за 16 часов.
В 2017 году Анна приняла участие в озвучке одного из персонажей компьютерной MOBA игры League of Legends, став голосом чемпиона Эвелинн.