Отец Ханны Карины был капитаном дальнего плавания. После её рождения оставил семью и Ханна воспитывалась до четырех лет бабушкой. Потом её отдали в пансион. В восемь лет она снова переехала к матери. Ханна Карина описала свое детство как "ужасное желание быть любимой" и несколько раз пыталась убежать из дома. Мать Ханны работала костюмершей в театре. Девочка играла в школьном театре и в двенадцать лет сама поставила «Золушку». Но учиться актерскому искусству она не могла; для поступления в консерваторию нужно было два года заниматься с педагогами, а на это у них не было денег. Ханна подрабатывала на киностудии как статистка. Начала петь песенки Кола Портера в ночном ресторане в Копенгагене.
Однажды её пригласили на роль пятнадцатилетней девочки в короткометражке «Девочка и туфельки». Фильм получил премию на Каннском кинофестивале, но на судьбу начинающей актрисы это не повлияло.
В 1958 году в возрасте 17 лет Ханна переехала в Париж. Случайно встретившийся на улице фотограф предложил ей сняться на обложку еженедельника. После этого её начали приглашать сниматься и в другие журналы, а затем и в рекламные ролики. В то время Ханна снимала квартиру в одном доме с Марлоном Брандо и писательницей Элен Лазаревой. По их совету она приняла псевдоним Анна Карина.
Когда она работала моделью, её заметил Жан-Люк Годар, в то время кинокритик "Кайе дю синема". По словам биографа Годара, Анне Карина первой была предложена роль в его дебютном фильме “На последнем дыхании”. Годар увидел Анну Карина в серии рекламных роликов, которая была покрыта пузырями мыла. Он предложил ей роль в фильме, но она отказалась, поскольку в фильме была представлена обнаженная сцена. Когда её спросили, почему она отказала Годару, Карина сказала, что в рекламе она была покрыта мыльными пузырями до шеи, так что обнажение было мнимым. Тем не менее, она приняла предложение роли в фильме Годара “Маленький солдат”.
Годар и Карина поженились 3 марта 1961, во время съемок фильма “Женщина есть женщина”, и развелись в 1968 году.
Анна Карина была награждена за лучшую женскую роль на Берлинском кинофестивале в 1961 году за исполнение роли Анжелы в фильме "Женщина есть женщина". Её актерская карьера не ограничивалась только фильмами Годара, она стала музой многих других известных режиссеров, таких как Лукино Висконти, Райнер Фассбиндер, Марта Месарош.
В 1973 году она как режиссёр поставила фильм «Жить вместе», но этот фильм одобрения зрителей не получил.
В начале шестидесятых годов Анна Карина также начала карьеру в качестве певицы. Она спела два французских хита "Roller Girl" и "Sous Le Soleil exactement", оба взяты из мюзикла "Анна" Сержа Гинзбурга, в котором она поет семь песен вместе с Сержем Гинзбургом и Жаном-Клодом Бриали.
Актриса также является автором четырех романов «Vivre ensemble» (1973), «Golden City» (1983), «On n’achète pas le soleil» (1988) и «Jusqu’au bout du hasard» (1998), и несколько раз появлялась на телевидении.
После расставания с Годаром Анна Карина четырежды выходила замуж — за актёров Пьера Фабра (в 1974 году), Даниэля Дюваля (в 1978 году), Денниса Берри (в 1982 году) и Мориса Кукса (в 2009 году).
В 1996 году итальянский режиссер снял документальный фильм-интервью под названием Анна Карина.
Анна Карина свободно владеет датским, французским, английским, шведским и итальянским языками.