Après des études de droit et d'économie, Anne Fillon a commencé sa carrière politique à l'âge de 27 ans en 1987 en tant qu'adjointe au maire de Saint-Just-Saint-Rambert. En 1988, elle est élue pour la première fois au Parlement français dans le canton du Forez et réélue sans discontinuer jusqu'en 2017.
En 1993, Anne Fillon devient ministre de l'Environnement et du Développement durable dans le gouvernement Édouard Balladur et conserve ce poste sous Alain Juppé en 1995. En 1996, elle est nommée ministre des Affaires sociales et de la Santé publique dans le gouvernement Lionel Jospin mais démissionne deux ans plus tard pour des raisons personnelles.
En 2002, Anne Fillon retourne au pouvoir en tant que ministre du Travail dans le gouvernement Jean-Pierre Raffarin et conserve ce poste jusqu'en 2004. Elle est ensuite élue députée européenne en 2004 et réélue à ce poste en 2009, 2014 et 2019.
En tant que députée européenne, Anne Fillon a occupé des fonctions importantes au sein du Parlement européen, notamment comme vice-présidente du groupe du Parti populaire européen en 2014 et présidente de la commission du développement régional en 2017. Elle est également membre du conseil économique et social européen depuis 2018.
Anne Fillon a été mariée à François Fillon, un autre homme politique français, avec qui elle a eu deux enfants. En 2017, son époux a été mis en examen pour des faits de falsification de documents et de malversations publics, ce qui a entraîné sa démission de ses fonctions politiques et le retournement de son élection présidentielle en avril 2017. Anne Fillon a également été inquiétée par les autorités judiciaires mais n'a finalement pas été poursuivie.
Depuis sa retraite politique, Anne Fillon a continué à être active dans le domaine de l'environnement et des droits de l'enfant. Elle est également membre du conseil d'administration de plusieurs associations humanitaires.