Erzherzogin Maria Anna wurde am 18. September 1718 in Wien als zweite Tochter von Kaiser Karl VI. und Elisabeth Christine von Braunschweig-Wolfenbüttel geboren. Sie war die jüngere Schwester Maria Theresias. Die beiden Mädchen blieben die einzigen Nachkommen des Kaiserpaares, denn ihrerstes Kind, der 1716 geborene Leopold, starb brereits wenige Monate nach seiner Geburt Die Hoffnung auf einen weiteren männlichen Nachkommen und damit auf einen rechtmässigen Thronfolger erfüllte sich nicht. Maria Anna und Maria Theresia wuchsen gemeinsam am Wiener Hof auf und erhielten hier ihre Ausbildung und Erziehung.
Maria Anna wollte Karl Alexander von Lothringen, dem jüngeren Bruder von Maria Theresias Ehemann Franz I. Stephan, ehelichen. Ihr Vater Karl Alexander jedoch war gegen dies Verbindung, da si aus seines Sicht nicht standesgemäss war. Nach dem Tod Karls VI. im Jahr 1740 gab Maria Theresia ihrer Schwester die Zustimmung für die Heirat. Nach der Eheschliessung am 7. Januar 1744 übernahm das Paar das Statthalteramt in den Österreichischen Niederlanden als Nachfolge von Karls Schwester Maria Elisabeth. Seit deren Tod 1841 hatte Ko-Statthalter Obersthofmeister Friedrich August von Harrach-Rohrau das Amt vorübergehend weitergeführt.
Maria Annas Leben endete jedoch bereits wenige Monate später: Am 16. Dezember 1744 erlitt sie eine Totgeburt und verstarb selbst wenige Stunden danach. Mutter und Kind wurden zunächst in der Kathedrale von Brüssel beigesetzt, später jedoch auf Wunsch Maria Theresias in die Kaisergruft nach Wien überführt.