Родилась в рабочей семье, а после окончания школы работала торговцем на западе Швеции. В 1905 году она иммигрировала в США, где 1-ое время работала няней. Скоро она сделала успешную карьеру в модельном бизнесе, по этому в 1911 году попала в кино. В следующие годы раз в год выходило десяток кинофильмов в год с ролью Нильссон. На студии «Kalem», где она исполнила большая часть собственных ролей, актриса была звездой номер один вместе с Элис Джойс. В 1920-х годах Нильссон удачно сотрудничала с «Paramount Pictures», где и достигнула наивысшего фуррора. В 1923 году она сыграла Шерри Мэлоут в экранизации произведения Рекса Бича «Негодяи», после этого эту роль в ремейках исполнили Бетти Компсон (1930), Марлен Дитрих (1942) и Энн Бакстер (1955).
С приходом эпохи звукового кино карьера Анны К. Нильссон резко пошла на спад, но в предстоящем она продолжала играть маленькие роли до середины 1950-х годов. В 1950 году она появилась в кинофильме «Бульвар Сансет», где сыграла саму себя на вечере «восковых фигур» в доме Нормы Десмонд.
Анна К. Нильссон погибла от сердечной дефицитности в феврале 1974 года в маленьком городе Хамлет в Калифорнии. За собственный вклад в кино актриса удостоена звезды на Голливудской аллее славы.
