Subito dopo il diploma si è unita alla Wilhelmina Modeling Agency ed è apparsa in alcune pubblicità di famosi marchi come Estée Lauder; per un breve periodo ha inoltre posato per la rivista Seventeen.[1] Al cinema, è apparsa nel 2005 in un cameo nel film Natale a Miami, inoltre ha fatto parte del cast di Officer Down - Un passato sepolto. Ha recitato in diversi ruoli televisivi; in particolare, a partire dal 2007 prende parte ad alcuni episodi della serie Nip/Tuck, recitando nella parte di Eden Lord e ricoprendo il ruolo fino al 2009.
Ottiene una parte in Fired Up! - Ragazzi pon pon, un film di Will Gluck. Nel 2014 è protagonista del film TV La parata del Natale, entra nel cast della pellicola The Gambling - Gioco pericoloso recitando al fianco di Steven Seagal, e recita nella terza e ultima stagione di Dallas interpretando la parte di Heather. Nel 2016 entra nel cast della seconda stagione della serie antologica Secrets and Lies, nel ruolo di Melanie Warner; inoltre prende parte come personaggio ricorrente alla serie The Night Shift, recitando nei panni di Jessica Sanders.
Ha avuto una relazione con l'attore Kellan Lutz dal 2008 al 2011, conosciuto sul set di 90210.[2] Tra il 2011 e il 2018 è stata legata a più riprese al collega Dominic Purcell.[3]
Oltre a recitare, AnnaLynne contribuisce a molte cause umanitarie e benefiche durante il suo tempo libero; l'organizzazione Look to the Stars l'ha premiata nel 2009 come una delle più giovani e attive filantrope a Hollywood.[4]
Nello stesso anno si unisce agli studenti della Woodland Regional High School di Beacon Falls, nel Connecticut, per la corsa inaugurale del Woodland for Woman Worldwide, un'associazione che sostiene Somaly Mam (di cui è ambasciatrice) e CAMFED, due organizzazioni internazionali che combattono lo sfruttamento della donna.[5] È inoltre una sostenitrice del St. Bernard Project, un'organizzazione dedita all'assistenza e all'aiuto verso le vittime dell'uragano Katrina.[6]
Nel 2011 viene nominata ai Do Something! Awards del canale televisivo VH1, nella categoria "TV Star".[7]