Anne Wiazemsky est la fille de Claire Mauriac, fille de François Mauriac et du diplomate Yvan Wiazemsky dont la famille avait émigré en France après la révolution Russe de 1917. Après une jeunesse passée en grande partie à l'étranger elle rentre en France
en 1961 peu avant la mort de son père. Sa famille va alors vivre auprès de François Mauriac, dont Anne sera toujours très proche.
Très jeune elle rencontre Robert Bresson qui lui donnera le rôle principal de son film Au Hasard Balthazar en 1965. Ainsi débute sa carrière d'actrice. En 1966 elle rencontre Jean-Luc Godard, avec qui elle tournera La Chinoise et qu'elle épousera en 1967. Ils se séparent en 1970. Elle est ensuite sollicitée par les plus grands metteurs en scène du moment : Pier Paolo Pasolini, Marco Ferreri, Alain Tanner, Michel Deville, André Téchiné, Philippe Garrel et d'autres. Elle est elle-même réalisatrice et scénariste. À la fin des années 80 elle se consacre essentiellement à l'écriture avec des récits largement autobiographiques publiés aux Éditions Gallimard. Elle reçoit de nombreux prix, dont le Goncourt des Lycéens pour Canines, le Grand Prix RTL -lire pour Hymnes à l'amour, le prix du roman de l'Académie française pour Une poignée de gens. Certains de ses romans sont adaptés au cinéma : Hymnes à l'amour par Jean- Paul Civeyrac en 2003 (sous le titre Toutes ces belles promesses), Je m'appelle Élisabeth par Jean-Pierre Améris en 2006, enfin en 2017 Le Redoutable, adapté de son récit Un an après, par Michel Hazanavicius. Elle est également membre du jury du prix Médicis. En 2009 elle est élevée au grade de Chevalier de la Légion d'honneur. Elle meurt le 5 octobre 2017 à 70 ans des suites d'un cancer. Elle est enterrée au cimetière du Montparnasse.