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. 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, som Anna Sophie Petersen rejste til Spanien med. De to forblev venner hele livet.