Родилась в спортивной семье — родители были гимнастами, младший брат также занимается гимнастикой. В спортивную гимнастику пришла в пять лет. Выступает за «Динамо» (Московская область). Тренер — мать, Наталья Евгеньевна Павлова. Ещё в 1992 году, когда на международном турнире «Звезды мира» автобус сборной опаздывал к началу соревнований, она выбежала на помост и стала делать вольные упражнения. Тренеру сборной Леониду Аркаеву была представлена в 11 лет и с тех пор регулярно тренировалась на сборах национальной команды.
Выступая на чемпионатах России, в 2002 и 2004 годах Анна Павлова стала абсолютной чемпионкой. А в 2003 и 2005 годах завоевала Кубок России в абсолютном первенстве. В национальных соревнованиях по отдельным видам она также неоднократно побеждала.
На чемпионате Европы среди юниоров 2000 года в Париже Павлова завоевала золото в упражнениях на брусьях и в командном первенстве, а через два года в Патрах стала абсолютной чемпионкой Европы среди юниоров, завоевала золото в опорном прыжке и в командном первенстве и серебро на бревне.
С 2004 года участвует в чемпионатах Европы. В Амстердаме она стала обладательницей серебряной награды в опорном прыжке. Через год в Дебрецене Павлова завоевала серебро в абсолютном первенстве и в опорном прыжке, а в 2008 году в Клермон-Ферране — серебро в командном первенстве.
В 2001 году на Играх доброй воли в Брисбене Анна Павлова выиграла серебро на бревне. Она завоевала бронзу в командном первенстве на чемпионате мира в Орхусе в 2006 году. К середине 2008 года Павлова пять раз выигрывала на этапах Кубка Мира в опорном прыжке, три раза — на бревне и один раз — в вольных упражнениях.
Анна Павлова завоевала две бронзовые медали на Олимпиаде в Афинах: в опорном прыжке и в командном первенстве. Она участвовала в Олимпиаде в Пекине.
