Anh Thơ sinh tại thị trấn Ninh Giang, huyện Ninh Giang, tỉnh Hải Dương; quê quán: thị xã Bắc Giang, tỉnh Bắc Giang. Cha bà là một nhà nho đậu tú tài và ra làm công chức cho Pháp nên phải thuyên chuyển nhiều nơi, Anh Thơ cũng phải đổi trường học từ Hải Dương sang Thái Bình rồi về lại Bắc Giang mà vẫn chưa qua bậc tiểu học. Ban đầu, bà lấy bút danh Hồng Anh, sau mới đổi thành Anh Thơ.

Anh Thơ sáng tác từ sớm, năm 17 tuổi với tập Bức tranh quê bà được nhận giải khuyến thích của Tự Lực Văn Đoàn. Sau đó bà tham gia viết bài cho báo Đông Tây và một vài báo khác.

Bà không được đi học nhiều ở nhà trường, nhưng vốn ham thích văn học từ sớm, và phần nào cũng chịu ảnh hưởng từ gia đình bên ngoại - cũng là một gia đình Nho giáo, mặt khác phải sống cuộc đời tù túng, buồn tẻ của một cô gái lớn lên trong gia đình Nho phong.

Giữa lúc phong trào "Thơ mới" đang diễn ra sôi nổi, Anh Thơ đã tìm đến thơ như một con đường giải thoát và tự khẳng định giá trị của người phụ nữ trong xã hội đuơng thời. Từ 1931, Anh Thơ đã có thơ đăng báo. Tập thơ đầu - Bức tranh quê (in 1941) - gồm 45 bài, là những cảnh nông thôn được sắp xếp theo trình tự bốn mùa và được miêu tả bằng sự quan sát độc đáo, nhạy cảm. Có thể xem đây là tập thơ mở đầu cho một khuynh hướng riêng trong phong trào Thơ mới: tập trung toàn bộ cảm hứng vào phong cảnh làng quê, làm sống lại vẻ đẹp nghìn đời của nông thôn Việt Nam. Những bức tranh thiên nhiên tưởng chừng như khách quan vô tình này không phải không chứa đựng sự khao khát sống và yêu đương của tâm hồn thiếu nữ muốn thoát ra khỏi sự ràng buộc nặng nề của xã hội đương thời. Trước 1945, bà còn có 1 tiểu thuyết viết về thân phận người phụ nữ (Răng đen, 1943) và 2 tập thơ chung với các tác giả khác (Xưa - 1943 và Hương xuân - 1944.[2]

Gần đến Cách mạng tháng Tám, Anh Thơ tham gia Việt Minh năm 1945, từng là Bí thư huyện Hội phụ nữ 4 huyện thời đó: Việt Yên, Lục Ngạn, Bắc Sơn, Hữu Lũng (tỉnh Bắc Giang), ủy viên thường vụ Tỉnh hội phụ nữ hai tỉnh Bắc Giang và Lạng Sơn. Thơ của bà thời gian này nói nhiều đến tâm tình và hình ảnh người phụ nữ ở hậu phương, nhất là người phụ nữ cán bộ đã anh dũng vượt lên đau xót, mất mát và xa cách, gánh chịu những hy sinh thầm lặng, góp phần vào thắng lợi của dân tộc.[3]

Trong những năm chống Mỹ, Anh Thơ mở rộng đề tài và cảm xúc trong thơ của mình, nói đến những nét đẹp của cuộc sống mới, chủ nghĩa anh hùng của con người Việt Nam, nhất là người phụ nữ bình dị

Bà là một trong những hội viên đầu tiên của Hội Nhà văn Việt Nam (năm 1957), ủy viên Ban chấp hành Hội Nhà văn Việt Nam (khóa 1 và 2).

Từ năm 1971 đến năm 1975 bà làm biên tập viên tạp chí Tác phẩm mới. Bà cũng là ủy viên Thường vụ Hội Liên hiệp Văn học nghệ thuật Việt Nam.

Bà mất tại Hà Nội do bệnh ung thư phổi. Nhà thơ Anh Thơ được truy tặng Giải thưởng Hồ Chí Minh về Văn học nghệ thuật năm 2007.