Родилась в деревне Татищево (Московская область). Окончив семилетнюю школу, поступила в фабрично-заводское училище, стала ткачихой. Позже была направлена по комсомольскому набору в органы государственной безопасности СССР.
В период обороны Москвы в октябре 1941 года, была задействована в спецмероприятиях НКВД, а также готовилась к работе в подполье на случай сдачи столицы врагу.
В 1944—1946 годах находилась в спецкомандировке в Мексике, с 1948 года регулярно выезжала с мужем за рубеж для работы по линии нелегальной разведки. С 1954 по 1960 год была с мужем на нелегальном положении в Латинской Америке.
Двоих младших детей Анна родила, находясь на нелегальном положении — в Китае и Бразилии. Анна Филоненко была консультантом фильма «Семнадцать мгновений весны», считается прототипом радистки Кэт.
