Hija de Sir Ralph Milbanke y Judith Noel, Anna creció en el seno de una familia noble y recibió una distinguida educación. Lectora ávida y precoz, se interesó especialmente por las matemáticas y la astronomía (disciplinas que estudió bajo la tutela del profesor benemérito de la universidad de Cambridge William Frend), como así también literatura, ciencia y filosofía, obteniendo una educación próxima a la de los estudiantes universitarios. Las nuevas ideas sobre magnetismo y frenología llegaron a fascinarla.
En marzo de 1812 conoció a George Gordon Byron (el año de la fama del poeta), pero no terminaron de congeniar y Anna rechazó la proposición de matrimonio. En octubre de ese mismo año, lord Byron se dirigió por carta a lady Melbourne en estos términos acerca de la diferencia de caracteres e intereses de ambos: “Le agradezco una vez más sus esfuerzos con mi Princesa de los Paralelogramos, que la ha desconcertado a usted más que Hipotenusa; en su forma de ser no se ha olvidado de las ‘Matemáticas’, en donde yo solía apreciar su ingenio. Su forma de proceder es bastante rectangular, o más bien somos dos líneas paralelas que se prolongan una al lado de la otra hasta el infinito, pero destinadas a no encontrarse nunca. Sin embargo, los aún jóvenes aristócratas siguieron relacionándose como amigos epistolares hasta que, en 1814, ella aceptó la segunda proposición matrimonial de George y contrajeron nupcias el 2 de enero del año siguiente, el mismísimo día en el que comenzaron los problemas entre ambos.
El 10 de diciembre de 1815, en Londres, Anna dio a luz a su única hija, la futura matemática Augusta Ada Byron. Al mes del nacimiento de la niña, y tras conocerse las infidelidades de Byron, Anna lo dejó y obtuvo el divorcio con ayuda de sus padres. Byron abandonó Inglaterra ese mismo año y no regresó jamás.
Anna promovió el interés de Ada en las matemáticas y en la lógica, atizada por la idea de que el estudio de esas materias evitaría que desarrollase el carácter vehemente e impredecible de su progenitor. Entre los tutores que estipuló para su educación se encontraban el catedrático William Frend, el doctor en medicina William King y la astrónoma y matemática escocesa Mary Somerville, una de las primeras mujeres en ser admitida en la Royal Astronomical Society.
La afición de Lady Byron por los más desfavorecidos la llevó a investigar las causas de sus problemas y a poder aportar soluciones más allá del mero apoyo económico. Asistió a la creación de la Sociedad Cooperativa de Brighton, y brindó los bajos de su casa en esa localidad para el establecimiento de una escuela de mecánica.
Su mayor logro fue la fundación de la “Ealing Grove School”, una escuela que combinaba enseñanzas teóricas con la práctica, abarcando esquemas, carpintería, albañilería, la venta de productos agrícolas y de jardinería. A menudo visitaban Ealing Grove personajes del mundo de la cultura como la escritora Joanna Baillie, Seymour Tremenheere del consejo de educación en Londres y su yerno, el conde de Lovelace, que estableció una escuela similar en Ockham (Surrey).
En 1840 asistió a la Convención Británica y Extranjera Anti-Esclavitud, implicándose en la mejora de las condiciones de los barrios marginales y en poner sobre la mesa los derechos de las mujeres. Compartió con Mary Carpenter (la pionera en establecer reformatorios para jóvenes marginales), el convencimiento de que la sociedad debía tomar bajo su responsabilidad la educación y cuidado de los huérfanos. En 1852 compró Red Lodge en Bristol y junto a la señorita Carpenter administraron un reformatorio para chicas.
Lady Byron falleció de cáncer de mama el 16 de mayo de 1860, un día antes de cumplir 68 años. Fue enterrada en el cementerio Kensal Green de Londres.
