Au départ, danseuse de formation, Anne Fontaine débute au cinéma comme actrice dans les années 1980. Elle apparaît dans des comédies en 1981 et 1985, notamment P.R.O.F.S. Elle passe ensuite à la mise en scène en collaborant sur l'adaptation d'une pièce en 1986 avec Fabrice Luchini Voyage au bout de la nuit de Louis-Ferdinand Céline.
Elle réalise ensuite son premier long-métrage Les histoires d'amour finissent mal... en général. Puis, ce sera un moyen-métrage, Augustin où elle met en scène son frère. Elle change de style mettant en scène un thriller avec Nettoyage à sec avec Miou-Miou, Charles Berling et Augustin, roi du kung-fu. En 2001, elle tourne Comment j'ai tué mon père avec Michel Bouquet et Charles Berling.
Elle écrit le scénario et réalise un drame psychologique Nathalie X avec Fanny Ardant, Emmanuelle Béart et Gérard Depardieu, et Entre ses mains avec Benoît Poelvoorde.