Народилася 30 березня1888 року в місті Істад, Швеція, у робітничій сім'ї. Після закінчення школи працювала продавчинею на заході Швеції. У 1905 році іммігрувала до США, де спочатку працювала нянею. Незабаром зробила успішну кар'єру в модельному бізнесі, завдяки чому в 1911 році потрапила в кіно. У наступні роки щорічно виходило десяток фільмів на рік за участю Нільссон. На студії «Kalem», де вона виконала більшість своїх ролей, акторка була зіркою номер один поряд з Еліс Джойс. У 1920-х роках Нільссон успішно співпрацювала з «Paramount Pictures», де і досягла найвищого успіху. У 1923 році вона зіграла Шеррі Мелоут в екранізації твору Рекса Біча «Негідники», після чого цю роль в ремейку виконали Бетті Компсон (1930), Марлен Дітріх (1942) і Енн Бакстер (1955).
З приходом ери звукового кіно кар'єра Анни Нільссон, як і багатьох акторок німої епохи, різко пішла на спад, але в подальшому вона продовжувала виконувати дрібні ролі до середини 1950-х. У 1950 році у фільмі «Бульвар Сансет» вона виконала камео на вечорі «воскових фігур» в будинку Норми Десмонд.
Анна Нільссон померла від серцевої недостатності в лютому 1974 року в невеликому містечку Хамлет в Каліфорнії.
За внесок в кіно акторка удостоєна зірки на Голлівудській алеї слави.