Erzherzogin Maria Anna wurde am 18. September 1718 in Wien geboren. Sie war die jüngere Schwester von Maria Theresia. Leopold, der einzige Sohn der Eltern Karl VI. und seiner Gemahlin Elisabeth Christine von Braunschweig-Wolfenbütte starb bereits wenige Monate nach seiner Geburt im Jahr 1716. Die Hoffnung auf einen weiteren Sohn und somit Thronfolger erfüllte sich nicht. Maria Anna und Maria Theresia wuchsen gemeinsam am Wiener Hof auf und erhielten hier ihre Erziehung.
Maria Annas Wunsch war es, Karl Alexander von Lothringen zu heiraten, den jüngeren Bruder von Maria Theresias Ehemann, Franz I. Stephan. Ihr Vater betrachtete Karl Alexander jedoch als nicht standesgemäss. Erst nach dem Tod Karls VI. im Jahr 1740 erteilte Maria Theresia ihrer Schwester die Erlaubnis zur Heirat. Am 7. Januar 1744 schloss Maria Anna den Bund der Ehe mit Karl Alexander. Kurz darauf übernahm das Paar das Statthalteramt in den österreichischen Niederlanden, da die bisherige Statthalterin, Karls Schwester Maria Elisabeth, verstorben war.
Maria Annas Leben jedoch endete nur wenige Monate später: Am 16. Dezember 1744 hatte sie eine Totgeburt und verstarb selbst wenige Stunden darauf. Mutter und Kind wurden zunächst in der Kathedrale von Brüssel bestattet, später jedoch auf Wunsch Maria Theresias in die Kaisergruft in Wien überführt.