Anne Fontaine, de son vrai nom Fontaine Sibertin-Blanc est née le 15 Juillet 1959 au Luxembourg. Danseuse de formation, elle se tourne vers le cinéma dans les années 80 où elle fait ses débuts en tant qu'actrice. Elle apparaît notamment dans les comédies Si ma gueule vous plaît... en 1981 et P.R.O.F.S en 1985. Après avoir collaboré à la mise en scène de la pièce Voyage au bout de la nuit en 1986 avec Fabrice Luchini, elle rencontre son futur mari, Philippe Carcassonne qui produit son premier film Les Histoires d'amour finissent mal... en général, prix Jean Vigo en 1993.

Deux ans plus tard, avec son moyen métrage Augustin, elle dresse le portrait d'un homme timide et veule qui se voit proposer la possibilité de jouer dans un film avec Thierry Lhermitte. Ce personnage fantaisiste campé par son frère Jean-Chrétien Sibertin-Blanc, sera également le héros d'Augustin roi du kung-fu, réalisé en 1999, et s'illustrera sept ans plus tard dans une autre comédie de la cinéaste, Nouvelle chance, aux côtés de Danielle Darrieux et d'Arielle Dombasle.

Entre-temps, Anne Fontaine s'essaie à un autre style et dirige le triangle "amoureux" Charles Berling / Miou-Miou / Stanislas Merhar dans le très remarqué Nettoyage à sec (1997), l'histoire d'un jeune homme venant troubler la vie tranquille d'un couple de commerçants dirigeant un pressing. Déroutant, ce thriller instaure des récurrences à venir dans la filmographie de la réalisatrice, attirée par la psychologie des personnages, le danger de mort et le triangle, sexuel ou amoureux. Charles Berling collaborera une seconde fois avec elle, quatre ans plus tard, sur Comment j'ai tué mon père, un drame familial qui vaudra à Michel Bouquet le César du Meilleur acteur.

Cinéaste de l'ambiguïté, Anne Fontaine poursuit son exploration des mystères du couple et du désir dans le drame psychologique Nathalie... (2003), une oeuvre à nouveau emmenée par un triangle amoureux : Fanny Ardant, Emmanuelle Béart et Gérard Depardieu. S'inscrivant dès lors en rupture avec ses précédents longs métrages, elle privilégie une mise en scène plus brute, moins théâtralisée pour son film suivant porté par le duo Isabelle Carré / Benoît Poelvoorde : en 2005, Entre ses mains est défini comme un "thriller intime" par son auteur.

Trois ans plus tard, Anne Fontaine renoue avec la légèreté en offrant à la présentatrice météo Louise Bourgoin son premier grand rôle au cinéma, celui de La Fille de Monaco, aux côtés de Fabrice Luchini et de Roschdy Zem. En 2009, son biopic Coco avant Chanel, porté par un casting de choix réunissant les populaires Audrey Tautou, Benoît Poelvoorde ainsi que l'acteur américain Alessandro Nivola, trouve un bon accueil chez la presse et les spectateurs. Elle revient ensuite avec Mon pire cauchemar, une comédie dans laquelle elle retrouve une nouvelle fois l'acteur belge Benoît Poelvoorde, en phase de devenir son acteur fétiche, mais aussi Isabelle Huppert, André Dussolier et Virginie Efira.

En 2013, Anne Fontaine adapte avec le scénariste Christopher Hampton une nouvelle de Doris Lessing, Perfect Mothers, portrait de femmes engagées dans des liaisons passionnelles cachées et croisées, chacune éprise du fils de l'autre. Pour l'occasion, elle dirige Naomi Watts et Robin Wright. Toujours dans l'adaptation, elle s'attèle à un roman graphique de Posy Simmonds, Gemma Bovery, et donne à Fabrice Luchini l'un des rôles principaux aux côtés de Gemma Arterton qui, elle, tient le rôle-titre. L'année suivante, elle s'attaque au drame historique avec Les Innocentes porté par Lou de Laâge. Deux ans plus tard, elle adapte le roman autobiographique En finir avec Eddy Bellegueule d’Edouard Louis.

La cinéaste retrouve ensuite Lou de Laâge et Isabelle Huppert pour la comédie Blanche Comme Neige, puis change à nouveau de registre avec le drame policier Police, avec Omar Sy, Virginie Efira et Grégory Gadebois, ainsi qu'avec le biopic Boléro, consacré à la vie de l'artiste et plus précisément à la composition de son oeuvre la plus connue, Le Boléro.