Anna Sophie Petersen var en af de få kvinder i sin samtid, der fik en rigtig maleruddannelse. Hun begyndte på Tegne- og Kunstindustriskolen for Kvinder, hvorfra hun dimitterede i 1880. I 1880'erne tog hun på studieophold i Rom og senere til Bretagne og Paris, hvor hun modtog undervisning hos Jean-Jacques Henner (1829–1905). I 1890 blev hun optaget på Kunstakademiets Kunstskole for Kvinder. I begyndelsen koncentrerede hun sig om figurmaleriet og portrættet, men begyndte efterhånden mere og mere at male almuen og opnåede anerkendelse som en stor realist i stil med L. A. Ring (1854–1933). Anna Sophie Petersen var så vidt vides det meste af sin karriere bosat i Paris og i Italien, hvor hun fra 1900 i høj grad koncentrerede sig om billedhuggerkunsten.

Hun var en usædvanlig kvinde, der omgikkes tidens moderne kunstnere og deltog i mange udstillinger i både ind- og udland. En god ven var J. F. Willumsen (1863–1978), som hun rejste til Spanien med. De to forblev venner hele livet. Hun malede i Skagen og var også en del af det skandinaviske kunstnerfællesskab i Paris i 1888–1889. Anna Sophie Petersen er repræsenteret på flere danske museer.