Anna Tsuchiya débute par une carrière de modèle à l'âge de 14 ans, pour différents magazines de mode dont Seventeen, puis des défilés de mode à la télévision en tant que mannequin. Elle participera également par la suite à différentes campagnes publicitaires tout au long de sa carrière.

En 2002, Anna âgée de 18 ans se lance dans le monde de la musique : elle se joint à K.A.Z (ex membre d'Oblivion Dust) afin de former un duo nommé Spin Aqua. Le groupe sort 3 singles, un album, et un DVD contenant leurs clips vidéo, qui malheureusement ne rencontrent que peu de succès. Deux ans après ses débuts, Spin Aqua se sépare suite au mariage d'Anna avec le jeune modèle Joshua et surtout suite à sa grossesse ; son premier enfant nait le 19 novembre 2004.

En 2004, la jeune femme fait ses débuts en tant qu'actrice dans le film Kamikaze girls. Elle joue également dans Cha no Aji (Le Goût du thé) et elle continue de jouer dans plusieurs films et séries télévisées (drama). Plus récemment, elle joue dans le film Sakuran.

En 2005, Anna revient à la musique, et débute une carrière en solo sous le label Mad Pray Records de la maison de disque avex trax. Son premier disque, d'abord prévu être un single, est finalement un mini-album, intitulé Taste My Beat, qui sort le 24 août 2005 ; il contient une reprise de la chanson Somebody Help Me de Full Blown Rose, qui sert de générique à la version japonaise de la série Tru Calling.

En 2006, deux singles suivent, ainsi qu'un album de remix de ses titres. Les singles marchent moins bien que le mini-album, en dépit du titre My Fate, utilisé comme générique de fin de l'anime Rean no Tsubasa. Sa maison de disques achète les droits des génériques de la populaire série anime Nana, qu'interpréteront séparément Anna et Olivia à la place des deux chanteuses de fiction héroïnes de la série ; le 3e single d'Anna intitulé Rose sort donc en juin sous l'appellation Anna inspi' Nana, et sert de premier générique d'ouverture à la série.

Anna gagne en notoriété et profite de l'occasion pour sortir début août 2006 son premier album complet, Strip Me?, qui se classe 11e des meilleures ventes d'album à sa sortie. Entre temps la jeune femme a divorcé de son mari Joshua en juillet 2006, et s'est rendue pour la première fois en France à l'occasion de Japan Expo.

Début 2007, Anna sort deux autres singles en tant que Anna inspi' Nana : Kuroi Namida et Lucy, ainsi que son premier DVD live, avec son concert au Shibuya Club Quattro filmé durant sa tournée. Le 28 février 2007 sort l'album Anna Tsuchiya Inspi' Nana (Black Stones), regroupant toutes les chansons qu'Anna a interprété pour l'animé Nana ; cet album sort également en France chez Wasabi Records le premier juin 2007.

En 2008, Anna Tsuchiya sort un troisième album, Nudy Show!, dont une version remixée sortira également quelques mois plus tard. En 2009, elle réalise son premier court métrage, Fish Bones, tiré du livre pour enfant qu'elle vient d'écrire : Tau no Bouken ("les aventures de Tau").

Après la naissance de son deuxième enfant le 26 mars 2010, Shimba1, elle annonce la sortie de deux single pour juillet et août 2010, ainsi qu'un quatrième album pour septembre 2010 (Rule), et un best of de partitions qui sort le 4 juin 2010 sous le titre de Best Selection. Elle part en tournée à Okinawa (Okinawa Tour 2010) du 3 au 5 juillet 2010, tournée réservée à son Fan Club et organisée par Rosey.

En 2012, elle participe au groupe temporaire Halloween Junky Orchestra de Hyde.