Pour Anne Coesens, jouer a toujours été une évidence. C'est le théâtre qui d'abord l'accompagne, dès l'âge de 6 ans et pendant toute sa scolarité. Très vite, il lui vient naturellement à l'esprit que son métier est celui de comédienne, d'autant plus qu'elle côtoie, à 18 ans, le grand bain du cinéma grâce à Jacques Doillon: le cinéaste l'engage pour une courte apparition dans La Puritaine, d'où elle ressort impressionnée par Michel Piccoli.

Par la suite, Anne Coesens réussit avec brio l'expérience risquée du Conservatoire Royal de Bruxelles -elle repart avec le premier Prix - et décide de poursuivre l'aventure à Paris où elle suit les cours de Philippe Adrien au Conservatoire National. Les planches du théâtre seront le fil rouge de sa carrière : elle y débute avec, notamment, Le songe d'une Nuit d'été et Cyrano de Bergerac.

L'actrice retrouve le 7ème art sous la houlette d' Alain Berliner, son premier "mentor", qui la fait jouer dans un court métrage en 1991 (Le Jour du chat) puis dans Ma vie en rose (1997) aux côtés de Michèle Laroque. Mais Anne Coesens ne perce pas encore. C'est à la télévision qu'elle fera d'abord ses preuves.

Elle apparaît sur le petit écran dès 1995, grâce à son rôle récurrent dans la série Brigade Spéciale, et à sa présence dans de nombreux téléfilms (dont Une soupe aux herbes sauvages, où elle côtoie Rufus et Annie Girardot). Le cinéma lui ouvre largement ses portes en 2000 en lui offrant le premier rôle du Secret de Virginie Wagon, et une prestation qui enchante la critique. Forte de cette réussite, elle restera par la suite attachée à ce registre dramatique dans lequel elle excelle, incarnant souvent des personnages troublés, plongés dans des histoires sensibles. A l'affiche de Quand tu descendras du ciel en 2002, elle est au casting de la comédie dramatique de Chantal Akerman, Demain on déménage (2004), aux côtés de Sylvie Testud ou encore du policier (2004) de Pierre Erwan Guillaume, porté par Jalil Lespert.

Outre sa présence récurrente à la télévision avec les deux saisons de la série politique Reporters (2007 et 2009) et une carrière bien fournie au théatre, Anne Coesens partage avec Sagamore Stévenin le casting de la romance dramatique Cages (2006) où elle livre une performance remarquée, avant de donner la réplique à Gérard Depardieu sur le polar Diamant 13, deux ans plus tard. Sa capacité à assumer des rôles graves se confirme lors de ses prestations dans 9mm (2008) et dans Illégal (2010). Elle démontre ainsi une fois de plus son talent pour les rôles de personnages torturés dans tous les sens du terme, jonglant avec de nombreux sujets difficiles, tels que le désespoir amoureux, le drame familial ou encore l'expulsion des clandestins. Olivier Masset-Depasse, devenu son époux, a fait d'elle son actrice fétiche puisqu'elle l'a accompagné sur ses quatre réalisations (dont deux courts métrages Chambre froide (2000) et Dans l'ombre (2004)).