Актриса родилась в 1974 году в семье известного российского режиссера Никиты Михалкова. О детстве и взрослении дочки Михалков снял экспериментальный фильм «Анна: от 6 до 18». Сама Михалкова его критиковала, называя «эксгибиционизмом души» и «препарированием» ее личной жизни. После школы девушку отправили учиться за границу, изучать историю искусств в Италии и Швейцарии. Вернувшись, она закончила актерский факультет ВГИКа в Москве.
Многим телезрителям Михалкова запомнилась в первую очередь как ведущая передачи «Спокойной ночи, малыши» (вела ее с 2002 года). Женщина говорила, что согласилась на эту работу в первую очередь ради собственных детей.
Также Михалкова много играла в кино. Исполнила главные роли в фильмах «Связь» (2006) и «Кококо» (2012), снималась в картинах «Изображая жертву», «Живи и помни», «Сумасшедшая помощь», «Мой папа – Барышников», «Дело», «Чувства Анны» (черно-белое кино о работнице кондитерской фабрики, которая начинает слышать инопланетные послания). Также участвовала в сериалах «Обычная женщина» (где ее героиня ведет двойную жизнь добропорядочной матери двоих детей и сутенерши со специфическим бизнесом), «Шторм», «Исправления и наказание», «Номинация».
«Я бы очень хотела играть в эстетском кино. Но артисты чаще всего заложники своей фактуры. Кино — это прежде всего про типаж. Большинство моих героинь — это женщины с трудной судьбой… Ко мне приходят с однотипным материалом, где хотят, чтобы я повторяла то, что уже делала в других фильмах. Хотя мне грех жаловаться», – признавалась актриса в интервью The Blueprint.