Анна Вяземскі народилася 14 травня 1947 року в Берліні. Її батько — Іван Володимирович Вяземський-Левашов (1915—1964) — доводився онуком князеві Леоніду Вяземському, наказному отаманові астраханських козаків, і правнуком графові І. І. Воронцову-Дашкову, який командував під час Першої світової війни російськими арміями на Кавказі. Мати — Клер Моріак, донька нобелівського лауреата Франсуа Моріака.
У 1967—1971 роках Анна Вяземскі навчалася на філософському факультеті університету «Париж-X» в Нантеррі. Уперше знялася в кіно як непрофесійна акторка у фільмі Робера Брессона «Навмання, Бальтазаре» (1966).
Фільм «Китаянка» (1967) став початком професійних і особистих стосунків Вяземської з Жаном-Люком Годаром, дружиною якого вона була до 1979 року. Зачитана у фільмі листівка, що закликає до саботажу іспитів, була дійсно написана нею в співавторстві з Данієлем Кон-Бендітом і Жан-П'єром Дютеєм, з якими вона була пов'язана по ліворадикальному студентському рухові в Нантеррі.
Знімалася також у фільмах Пьера Паоло Пазолини, Марко Феррері, Андре Тешіне. Як режисерка поставила кілька документальних фільмів, у тому числі «Данієль Дарр'є. Життя в кіно» (2007).
Наприкінці 1980-х років Анна Вяземскі перестала зніматися в кіно, присвятивши себе письменницькій діяльності. Опублікувала декілька автобіографічних книг. У 1998 році вона отримала Велику премію Французької академії за книгу «Жменька людей», в якому розповідає про своє російське походження.
У 2017 році режисер Мішель Азанавічус зняв біографічний художній фільм «Молодий Годар», що оповідає історію стосунків Жана-Люка Годара та Анни Вяземскі, починаючи з їхньої спільної роботи над фільмом «Китаянка» у 1968 році. Роль Вяземскі в стрічці зіграла Стейсі Мартін.
Анна Вяземскі померла 5 жовтня 2017 в Парижі від раку молочної залози у віці 70 років. 11 жовтня була похована на паризькому цвинтарі Монпарнас.
