Anna Netrebko absolvierte ein Gesangsstudium am Rimski-Korsakow-Konservatorium in Sankt Petersburg. Nachdem sie 1993 den Glinka-Gesangswettbewerb in Moskau gewonnen hatte, wurde sie 1994 vom Mariinski-Theater in Sankt Petersburg fest engagiert. Dort debütierte sie im selben Jahr als Susanna in Mozarts Le nozze di Figaro. Diese Produktion gastierte anschließend am 6. August 1994 auch beim Schleswig-Holstein Musik Festival (Leiter: Justus Frantz) in Stade, wo daher Netrebkos Deutschland-Debüt stattfand. Im Jahr 1995 gab das Mariinski-Theater unter der Leitung von Waleri Gergijew ein Gastspiel in San Francisco. Netrebko sang dort die Ljudmila in Glinkas Ruslan und Ljudmila. Nach den hervorragenden Kritiken dieses Gastspiels begann ihre steile Karriere auf den internationalen Opernbühnen. Das San Francisco Chronicle schrieb bereits damals: „Sie ist eine Sängerin, die einfach alles hat: eine Stimme von staunenswerter Reinheit, Präzision und Wandlungsfähigkeit sowie großem dynamischen und tonalen Umfang, Fantasie, Verständnis und Geist – und hinzu kommt ein überwältigendes Charisma.“

Netrebko sang bald danach an den wichtigsten Opernhäusern der Welt, so an der Metropolitan Opera in New York und an der Wiener Staatsoper, vor allem als Donna Anna in Mozarts Don Giovanni oder als Adina in Gaetano Donizettis L’elisir d’amore. Seit 1998 trat sie regelmäßig bei den Salzburger Festspielen auf, wo sie 2002 als Donna Anna in Don Giovanni unter dem Dirigenten Nikolaus Harnoncourt ihren endgültigen internationalen Durchbruch feierte. Im selben Jahr debütierte sie an der Met als Natascha in der Oper Krieg und Frieden von Sergei Prokofjew.

2003 sang Anna Netrebko die Rolle der Gilda in Verdis Rigoletto an der Bayerischen Staatsoper in München, die Titelrolle in Donizettis Lucia di Lammermoor an der Los Angeles Opera sowie erneut als Donna Anna am Londoner Royal Opera House.

Nachdem sie bereits einige Tonaufnahmen eingespielt hatte, erschien 2004 die DVD The Woman, The Voice mit MTV-ähnlichen Videos, die Netrebko zu einem Popstar der Opernszene machten. Dennoch macht sie keine Crossover-Kompromisse und singt ausschließlich klassische Musik. Den damaligen Hype um Netrebko, der sich häufig nicht mehr nur um die künstlerische Leistung drehte, kommentierten zahlreiche Kritiker negativ, insbesondere der deutsche „Gesangspapst“ Jürgen Kesting (Autor des dreibändigen Werkes Die großen Sänger).[1][2]

2005 sang Netrebko sowohl die Julia in der viel beachteten Produktion Romeo und Julia von Charles Gounod (mit Rolando Villazón als Romeo) als auch die Rolle der Adina in L’elisir d’amore von Donizetti. Im selben Jahr übernahm sie bei den Salzburger Festspielen die Titelpartie der Violetta Valéry in Verdis La Traviata (Dirigent: Carlo Rizzi) mit Rolando Villazón in der Rolle des Alfredo Germont und Thomas Hampson als Vater Germont. Die Produktion wurde von der Kritik wie von den Zuschauern begeistert aufgenommen, auch wegen einer TV-Übertragung, die noch heute große Beachtung findet. Netrebko absolvierte 2005 zum ersten Mal auch eine Japan-Tournee mit einem Liederabend.

2006 sang Netrebko an der New Yorker Metropolitan Opera in Donizettis Don Pasquale unter der Regie von Otto Schenk und der musikalischen Leitung von Maurizio Benini (mit Juan Diego Flórez und Simone Alberghini). Am 7. Juli 2006 gab sie, zwei Tage vor dem Finale der Fußball-Weltmeisterschaft 2006 in Berlin, gemeinsam mit Plácido Domingo und Rolando Villazón ein Konzert in der Tradition der Drei-Tenöre-Konzerte, mit denen die Weltmeisterschaften von 1990 bis 1998 zu Ende gegangen waren. Das Konzert wurde weltweit übertragen und galt als das bis dato meistgesehene Klassikkonzert. Im Juli und August 2006 trat Netrebko bei den Salzburger Festspielen als Susanna in der von Nikolaus Harnoncourt dirigierten Neuinszenierung von Mozarts Le nozze di Figaro auf, mit der das neu erbaute Haus für Mozart am 26. Juli eröffnet wurde (auch Fernsehübertragung auf ORF und ARD). Im November 2006 gab Anna Netrebko ihr Rollendebüt als Amina in Vincenzo Bellinis Belcanto-Oper La Sonnambula an der Wiener Staatsoper.

Im März 2007 trat Netrebko an der Wiener Staatsoper in der Neuproduktion von Jules Massenets Manon unter dem Dirigenten Bertrand de Billy und dem Regisseur Andrei Şerban auf, die live im österreichischen Fernsehen ORF übertragen wurde. Seit April 2007 sang Netrebko die gleiche Rolle an der Berliner Staatsoper. Dies war eine Koproduktion mit der Los Angeles Opera, mit Rolando Villazón als Chevalier des Grieux.[3]

Aufsehen erregte Anna Netrebko im Sommer 2007, als sie aufgrund von Stimmbandproblemen ihr Engagement bei den Salzburger Festspielen kurzfristig absagte und durch ihr Nichterscheinen eine Diskussion über die „Belastbarkeit von Opernstars“ auslöste. Bei der Last Night of the Proms am 8. September 2007 in der Londoner Royal Albert Hall präsentierte sie sich jedoch wieder mit gewohnter stimmlicher Sicherheit. Darauf folgte im November 2007 eine Serie von drei Vorstellungen der Oper La Traviata an der Deutschen Oper Berlin. 2008 spielte und sang sie, zusammen mit Rolando Villazón als Rodolfo, in La Bohème von Giacomo Puccini.

Nach ihrer Schwangerschaft und anschließender Auszeit kehrte sie am 14. Januar 2009 im St. Petersburger Mariinski-Theater in der Hauptrolle der Oper Lucia di Lammermoor wieder auf die Bühne zurück.[4][5] Ende November 2009 erschien Anna Netrebkos erstes „Best Of“-Album, auf dem ausgewählte Arien und Duette mit den Partnern Elīna Garanča, Rolando Villazón und Thomas Quasthoff zu hören sind.

2009 sang sie an der Met in der Inszenierung Bartlett Shers in Jacques Offenbachs Hoffmanns Erzählungen die Antonia.

Im April 2011 sang Anna Netrebko an der Wiener Staatsoper zum ersten Mal die Titelrolle in Gaetano Donizettis Oper Anna Bolena unter dem Dirigenten Evelino Pidò. Die Vorstellung vom 5. April 2011 wurde live in arte übertragen.

Am 1. August 2012 war Anna Netrebko im Rahmen der Salzburger Festspiele erneut in Giacomo Puccinis La Bohème zu sehen, diesmal mit Piotr Beczala als Rodolfo. Die Oper wurde am selben Tag vom ORF übertragen.

Am 29. November 2013 gab Netrebko in der Deutschen Staatsoper Berlin ihr Rollendebüt als Leonora in der Oper Il Trovatore von Giuseppe Verdi, mit Plácido Domingo als Graf Luna. In dieser Rolle triumphierte die Künstlerin auch im August 2014 in der Salzburger Festspielproduktion von Alvis Hermanis, wiederum an der Seite von Plácido Domingo, nunmehr mit Francesco Meli als Manrico und Marie-Nicole Lemieux als Azucena.