Nel 1964 si iscrive all'università La Sapienza di Roma, dove si laurea in storia moderna nel 1968. Approfondisce i suoi studi grazie ad una borsa di studio presso l'Istituto di Studi Storico religiosi della stessa Università. Dal 1974 lavora sempre presso la Sapienza, prima come contrattista, poi come ricercatrice (1981-2000) e infine professoressa associata (2000-2010) di Storia Moderna.
Le aree di interesse intorno alle quali si sviluppano le sue prime pubblicazioni - fra cui Gli intransigenti e la Rivoluzione francese (1978), Ateismo e magia. Il declino della concezione magica nel "Dictionnaire" di Pierre Bayle (1980), La stregoneria in Europa (1980) - riguardano il movimento cattolico italiano nell'età della Restaurazione, la storia della cultura nell'età moderna, la stregoneria e il rapporto tra eresia, ateismo e magia.
Dalla fine degli anni Ottanta la sua produzione si orienta verso la storia degli ebrei in Europa e in Italia.
Membro della redazione della Rassegna mensile di Israel e del Museo nazionale dell'ebraismo italiano e della Shoah, Anna Foa ha scritto saggi per la Storia d'Italia Einaudi e articoli per L'Osservatore Romano e Avvenire.
È stata membro del comitato scientifico del Centro di Documentazione Ebraica Contemporanea, ha fatto parte della redazione di Donne, Chiesa, Mondo (supplemento dell’Osservatore Romano), collabora al quotidiano dell’ebraismo italiano Pagine Ebraiche 24, al portale dell’ebraismo italiano www.moked.it, e a programmi culturali Rai, sia televisivi che radiofonici.
Nel 2019 è stata insignita dal presidente della Repubblica Sergio Mattarella del grado onorifico di commendatore, assegnato ai cittadini che si sono distinti per il loro contributo nelle professioni, nella cultura e nella società.
Le Linee guida sul contrasto all'antisemitismo nella scuola, curate dal MIUR, fanno riferimento per alcune parti al documento elaborato dal Gruppo tecnico di lavoro per la definizione di antisemitismo approvato dall’IHRA (International Holocaust Remembrance Alliance), cui Anna Foa ha fatto parte.
