Har studeret sang hos Susanna Eken på Det Kongelige Danske Musikkonservatorium (1988-1994) og på Operaakademiet (1994-1998) i København. Yderligere studier hos Ingrid Bjoner, Judith Beckmann og Anthony Rolfe Johnson.
I 1998 modtog A.P. Wagner-selskabets stipendium til at overvære Festspillene i Bayreuth og i 1999 modtog hun Reumerts talentpris som ung lovende kunstner. I 2001 modtog A.P. ligeledes Sonnings Musikfonds kunstner pris.
Ann Petersen havde i 1999 sin scenedebut som 1. Dame i Tryllefløjten på Det Kongelige Teater. Blev samme år engageret til at lave Donna Anna (Don Giovanni) og Fru Ingeborg (Drot og Marsk) på Den Jyske Opera. I år 2000 sang A.P. Fiordiligi på Århus Sommeropera i den Reumert prisbelønnede forestilling Cosi fan Tutte. Videre engagementer fulgte, ligeledes som Donna Anna, i Osnabrück, Tyskland i 2000, og som Elisabeth (Tannhaüser) i Wiesbaden i 2001 og 2002. I 2003 sang A.P. Freia i Den Ny Operas opsætning af Wagners Rhinguldet, samt Tatjana i Den Jyske Operas opsætning af Eugen Onegin .
Siden 2001 har A P. været fast tilknyttet operaen i Graz, Østrig, hvor hun har sunget Arminda i La Finta Giardiniera under ledelse af Johannes Stert, Tatjana (Eugén Onegin), The Governess (Turn of the Screw), Rosalinde (Flagermusen), Elisabetta (Don Carlo), Ellen Orford (Peter Grimes) og Desdemona (Otello) alle under ledelse af musikchef, Philippe Jordan. I indeværende sæson har A.P., ligeledes i Graz, haft sin debut som Feltmarskalinden (Rosenkavaleren) og Leonore (Fidelio).
Ann Petersen giver desuden regelmæssigt koncerter med de danske landsdelsorkestre, samt i udlandet.
Af Kommende opgaver kan nævnes Liu (Turandot), Helmwige (Valkyrien) og The Governess (Turn of the Screw) alle på Det Kongelige Teater, og derefter Desdemona (Otello) i Braunschweig.