Absolwentka warszawskiej Akademii Muzycznej im. Fryderyka Chopina w klasie Małgorzaty Marczewskiej. Współpracuje m.in. z Operą Bałtycką, Warszawską Operą Kameralną, Operą Wrocławską, gdzie śpiewa pierwszoplanowe role w operach Mozarta, Czajkowskiego, Verdiego i Strawińskiego.
W repertuarze artystki ważne miejsce zajmuje muzyka oratoryjno-kantatowa i kameralna, znajduje się też w nim wiele dzieł współczesnych. Prawykonania swoich kompozycji powierzają jej tacy kompozytorzy, jak m.in. Zygmunt Krauze i Paweł Łukaszewski.
Anna Mikołajczyk jest szczególnie ceniona w świecie muzyki dawnej. Współpracuje z wybitnymi przedstawicielami tego nurtu wykonawczego w Polsce i za granicą. W 2001 r. otrzymała Nagrodę im. Zofii Rayzacherowej „dla największej indywidualności artystycznej w dziedzinie muzyki dawnej” na XI Festiwalu Muzyki Dawnej na Zamku Królewskim w Warszawie.
W listopadzie 2011 odbyła się w Operze Bałtyckiej prapremiera opery Elżbiety Sikory Madame Curie, w której artystka zaśpiewała partię tytułową. Zarówno przedstawienie, jak i wykonawczyni głównej roli zostały obsypane wieloma nagrodami. W 2013 r. uhonorowano nagrodą Orphée du Prestige Lyrique de l’Europe de l’Académie du Disque Lyrique DVD Madame Curie wydane przez firmę DUX. W 2015 r. to samo wyróżnienie otrzymał dwupłytowy album z serii Musica Sacromontana IX z Oratorio La morte di San Filippo Neri Anfossiego, nagrany z udziałem śpiewaczki.
Anna Mikołajczyk dokonała licznych nagrań dla Polskiego Radia i Telewizji Polskiej. Brała udział w rejestracji płyt, które wielokrotnie były nominowane do nagrody fonograficznej Fryderyk, a kilka tę nagrodę otrzymało, m.in. nagranie pieśni Karola Szymanowskiego (DUX) zostało wyróżnione dwoma Fryderykami 2008 w kategoriach: „Album roku – recital wokalny, opera, operetka, balet” oraz „Fonograficzny debiut roku”.