Anne Brochet naît le 22 novembre 1966 à Amiens. Elle se passionne très tôt pour la comédie et entame sa carrière au théâtre et sur grand écran dans les années 1980. Claude Chabrol lui confie un rôle dans Masques en 1987. La jeune femme est nommée au César du meilleur espoir féminin pour sa performance au côté de Philippe Noiret. L’année suivante, elle donne la réplique à Patrick Bruel dans La Maison assassinée de Georges Lautner. Le public la découvre réellement en 1990 dans le Cyrano de Bergerac de Jean-Paul Rappeneau. Elle incarne Roxane et joue aux côtés de Gérard Depardieu. Anne poursuit en parallèle sa carrière sur les planches et est à l’affiche du Cid de Corneille à Bobigny en 1988.
Elle se lance dans l’écriture au début des années 2000 et son premier roman, Si petite devant ta face, paraît en 2001. Anne est l’auteur de deux autres romans, Trajet d’une amoureuse éconduite et La Fortune de l’homme et autres nouvelles. Elle ne quitte pourtant pas le grand écran et apparaît notamment dans Un Château en Espagne en 2008 et Le Hérisson en 2009. L’année suivante, on la voit aux côtés de Jean Reno dans La Rafle.
Côté vie privée, Anne Brochet a été la compagne de l’humoriste Gad Elmaleh de 1998 à 2002. Le couple a donné naissance à un petit garçon, Noé (né en novembre 2000). L'actrice a également une fille, Josépha, née d'une précédente union.