Fille unique d'un père architecte et d'une mère décoratrice, Annasophia Robb est, depuis toute petite, très proche du milieu artistique. Très tôt, elle rejoint ainsi la chorale de son église et prend des cours de danse irlandaise et de gymnastique. Sa vocation pour la comédie, acquise dès l'age de 3 ans, lui permet, 5 ans plus tard, d'avoir son propre agent. Très rapidement elle se fait remarquer dans un spot radiophonique à diffusion nationale. Elle obtient ensuite son premier rôle dans un court métrage intitulé Daddy's Day.

Dès lors, sa carrière décolle. Annasophia Robb connaît sa première expérience dans une publicité pour le petit écran pour un spot pour McDonald's, avant d'obtenir son premier rôle à la télévision en 2004 dans Samantha : An American Girl Holiday qui lui vaut une nomination aux Young Artist Awards dans la catégorie "Meilleure performance dans un téléfilm ou mini-série". L'année suivante, elle fait ses débuts au cinéma dans Winn-Dixie mon meilleur ami de Wayne Wang , un film familial qui lui offre une nouvelle nomination aux Young Artist Awards, catégorie "Meilleure performance dans un long métrage".

La même année, elle est révélée au grand public dans Charlie et la chocolaterie de Tim Burton, dans lequel elle campe aux côtés de Johnny Depp la chipie Violet Beauregard, insolente mâcheuse de chewing-gums. En 2007, elle est à l'affiche de deux films fantastiques : Les Châtiments dans lequel elle donne la réplique à Hilary Swank, et Le Secret de Terabithia pour lequel elle participe également à la bande originale avec son titre Keep your mind wide open.