Après un passage par le Cours Florent et le Conservatoire National d'Art dramatique, Anne Brochet connaît immédiatement la célébrité. Elle se voit confier en 1987 l'un des principaux rôles de Masques de Claude Chabrol puis enchaîne un an plus tard avec La Maison assassinée de Georges Lautner, dans lequel elle donne la réplique à Patrick Bruel.

Elle se "spécialise" par la suite dans le film d'époque, en s'illustrant notamment dans Tolérance et Tous les matins du monde (César du Meilleur second rôle féminin), mais c'est son incarnation de Roxanne dans Cyrano de Bergerac, aux côtés de Gérard Depardieu, qui la révèle véritablement en 1989. Après avoir obtenu le Prix Romy Schneider en 1991, cette jeune femme frêle vantée pour la justesse de son jeu apparaît dans Confessions d'un barjo, adapté d'un roman de Philip K. Dick.

En 1994, Anne Brochet partage la vedette du drame Consentement mutuel avec Richard Berry, comédien qu'elle retrouve quatre ans plus tard pour la comédie Une journee de merde. Elle est ensuite de plus en plus plébiscitée par les plus grands cinéastes français, de Claude Miller (La Chambre des Magiciennes, 2000) à Jacques Rivette (Histoire de Marie et Julien, 2002), en passant par Patrice Leconte (Confidences trop intimes, 2004). En 2005 on la retrouve aux côtés de Denis Podalydès et Jean-Paul Rouve dans Le Temps des porte-plumes de Daniel Duval. Tout en se consacrant de plus en plus et en parallèle à une brillante carrière au théâtre et même à l'écriture (elle est notamment l'auteur de la nouvelle La Fortune de l'homme et autres nouvelles", une oeuvre très favorablement accueillie par la critique), l'actrice continue de mener une carrière discrète, eclectique et remarquée au cinéma. Capable d'évoluer du registre de la comédie (La Confiance règne d'Etienne Chatiliez) au thriller (Je suis un assassin) en passant par la comédie dramatique (Le Hérisson), l'actrice fait partie de la distribution de la Rafle, l'une des pages les plus sombres de l'Occupation en France en 1942.