Дочь герцога Карла Леопольда Мекленбург-Шверинского и царевны Екатерины, дочери царя Ивана V Алексеевича. С 1722 жила в России, а с 1730 воспитывалась при дворе императрицы Анны Иоанновны. По воспоминаниям современников была довольно миловидной, доброй и спокойной, но недалекой и упрямой, любившей светские развлечения. В юности была влюблена в дипломата графа Линара, позднее, по-видимому, имела связь со своей фрейлиной Ю. Менден. В 1739 выдана замуж за принца Антона Ульриха Брауншвейг-Люнебургского и в 1740 родила сына Ивана, провозглашенного Анной Иоанновной наследником престола, а после смерти императрицы в октябре 1740 императором Иоанном VI Антоновичем. Вскоре произошел конфликт Анны Леопольдовны и ее мужа с герцогом Э. Бироном, назначенным регентом при малолетнем императоре, что привело к организованному Б. К. Минихом перевороту. После переворота она была объявлена правительницей империи.
Интереса к государственным делам Анна Леопольдовна не проявляла, фактически передоверив всю власть Кабинету министров. Правительница проводила время за игрой в карты и в других придворных развлечениях. Она не воспримала всерьез предостережения о готовящемся Елизаветой Петровной перевороте и, когда в ноябре 1741 он произошел, без сопротивления рассталась с властью. Вместе с семьей Анна Леопольдовна была отправлена сперва в Ригу, где находилась до 1742, затем содержалась в крепости Дюнамюнде (до 1744), после чего была перевезена сперва в Раненбург, а затем в Холмогоры, где умерла после родов пятого ребенка.