Finalmente, pudo ingresar en la RESAD en su segundo intento, pero poco después fue expulsada, al no asistir con asiduidad a las clases (estaba trabajando en una de sus primeras películas: Familia (1996), de Fernando León). Se matriculó entonces en la escuela de interpretación de Juan Carlos Corazza.
Compaginando estudios y trabajo, llegó a interpretar papeles en el teatro (A bocados, Una luz que ya no está) y en el cine (Las huellas borradas de Enrique Gabriel, Finisterre, Lágrimas negras o Grandes ocasiones).
El reconocimiento nacional llegó con la película Lucía y el sexo, de Julio Medem, donde interpreta a Belén, una niñera morbosa. Por esta caracterización ganó el premio de la Unión de Actores de España y una candidatura al premio Goya. Se consagra, así, como nueva promesa del cine español, recibiendo ofertas de directores reconocidos como Miguel Albaladejo y Pedro Almodóvar.
A partir de 2004 ha realizado varias películas de habla inglesa, como la superproducción de Hollywood Van Helsing de Stephen Sommers, o Dead Fish de Charley Stadler, compartiendo cartel con el actor Gary Oldman en esta última. Fue considerada, ese año, como una de las mayores estrellas del cine europeo por la European Film Promotion.
En 2006, formó parte del elenco actoral en la producción más cara del cine español: Alatriste, de Agustín Díaz Yanes. Ese mismo año coprotagoniza el vídeo musical SexyBack del cantante de pop Justin Timberlake. En 2010 Anaya es invitada por Julio Medem a participar en el filme Habitación en Roma, en la que se estrenaría como protagonista, compartiendo cartel con la actriz Natasha Yarovenko.
En 2011, Pedro Almodóvar la seleccionó para ser la protagonista, junto a Antonio Banderas, de su nueva película La piel que habito, aunque en un inicio, cuando la película era solo un proyecto, el director manchego pensó en Penélope Cruz para el papel protagonista. Por dicho papel ganó el premio Goya 2011 a la mejor actriz.
En 2012, recibió el Premio Málaga, galardón honorífico del FMCE.
