Anna Torv voit le jour le 15 avril 1978 à Melbourne (Australie), d'un père d'origine estonienne dont elle est séparée dès l'âge de 8 ans. Elle grandit à Gold Coast dans le Queensland et sort diplômée de l'Institut National d'Art Dramatique d'Australie en 2001. Elle pratique notamment l'équitation, le surf, la natation et la marche à pied.
Elle commence sa carrière de comédienne en 2002, apparaissant dans le téléfilm
White Collar Blue. Elle obtient la même année un rôle récurrent dans une série TV australienne intitulée
Young Lions. L'actrice poursuit en incarnant plusieurs personnages secondaires sur le petit écran.
En 2008, la jeune femme joue enfin un des rôles principaux dans la série anglaise
Mistresses, diffusée sur BBC One et en France sur Téva puis Arte. Mais c'est une série américaine qui permet à la comédienne d'accéder à la notoriété.
Fringe, considéré comme le successeur de
X-Files par les amateurs de SF, offre l'un des deux personnages principaux à Anna Torv. Elle incarne ainsi Olivia Dunham et participe grandement au succès de la série. Parallèlement à son travail sur
Fringe, l'actrice fait aussi une apparition dans la mini-série évènement produite par Steven Spielberg,
The Pacific (2010).
Anna Torv se marie en décembre 2008 avec Mark Valley, son ancien partenaire dans
Fringe. Ils divorcent en avril 2010.