Anne Fontaine est née au Luxembourg en 1959. Après une formation de danseuse, elle se tourne vers le métier d’actrice et apparaît dans plusieurs comédies au début des années 1980, notamment P.R.O.F.S., où elle donne la réplique à Patrick Bruel. Elle se lance dans la mise en scène en adaptant pour le théâtre le roman de Louis-Ferdinand Céline Voyage au bout de la nuit, avec Fabrice Luchini.
C’est en 1992 qu’Anne Fontaine passe définitivement à la réalisation avec un premier long-métrage, Les Histoires d’amour finissent mal… en général, produit par son mari Philippe Carcassonne. Ce premier film très remarqué est récompensé par le Prix Jean Vigo. Deux ans plus tard, elle introduit avec le moyen métrage Augustin le personnage d’Augustin Dos Santos, que l’on retrouve en 1999 dans Augustin, roi du kung-fu et en 2006 dans Nouvelle chance. Anne Fontaine réalise en 1997 Nettoyage à sec, avec Miou-Miou et Charles Berling, qu’elle retrouvera dans Comment j’ai tué mon père aux côtés de Michel Bouquet. Spécialiste du drame psychologique, elle réalise Nathalie… avec Gérard Depardieu et Emmanuelle Béart, et Entre ses mains avec Benoît Poelvoorde et Isabelle Carré, mais également Coco avant Chanel, biopic dans lequel on retrouve Audrey Tautou.