Patriotka. Robotnica Stoczni Gdańskiej pracująca jako operator suwnicy. Za niezależną działalność związkową została dyscyplinarnie zwolniona z pracy 7 sierpnia 1980, gdy brakowało jej 5 miesięcy do emerytury. Decyzja dyrekcji wywołała 14 sierpnia strajk, w czasie którego powstał NSZZ Solidarność, a Walentynowicz i zwolnionego niedługo potem Lecha Wałęsę przywrócono do pracy.
W 1981 roku podczas spotkania z robotnikami w Radomiu dwóch funkcjonariuszy SB we współpracy z TW "Karol" miało podjąć próbę otrucia Walentynowicz za pomocą leku – furosemidu. W 2009 roku IPN postawił im zarzuty.
W lipcu 2006 gdański Instytut Pamięci Narodowej ujawnił, że Annę Walentynowicz inwigilowało ponad 100 funkcjonariuszy i tajnych współpracowników Służby Bezpieczeństwa, w roku 1981 planując jej otrucie.
Była inicjatorką protestu głodowego po zabójstwie ks. Jerzego Popiełuszki, przeprowadzonego od 18 lutego 1985 do 31 sierpnia 1986 w krakowskiej parafii ks. Adolfa Chojnackiego. W latach 80. krytykowała ówczesne kierownictwo związku skupione wokół Wałęsy. Istotą sporu stało się oskarżenie Lecha Wałęsy o współpracę z SB i sprzeciw Walentynowicz wobec polityki prowadzącej do Okrągłego Stołu, określanej przez nią jako "ugodowa". Pozostawała w kontakcie ze środowiskiem Andrzeja Gwiazdy. Z tego też względu po roku 1989 nie utożsamiała się z polityką rządzących partii postsolidarnościowych. W 1995, w formie listu otwartego, zwróciła się z szeregiem krytycznych pytań do Lecha Wałęsy.
13 grudnia 2005 roku w Waszyngtonie odebrała na rzecz Solidarności od Amerykańskiej Fundacji Ofiar Komunizmu Medal Wolności. Honorowym przewodniczącym Fundacji jest były prezydent Stanów Zjednoczonych George W. Bush
W dniu 3 maja 2006 r. została odznaczona przez Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego Orderem Orła Białego.
10 czerwca 2007 roku Lech Wałęsa opublikował swoją teczkę założoną przez SB. Z dokumentów w niej umieszczonych może wynikać, że Anna Walentynowicz była inspirowana przez Służbę bezpieczeństwa PRL, aby go zdyskredytować.
10 grudnia 2009 roku otrzymała "za odwagę w występowaniu w obronie podstawowych wartości i prawd nawet wbrew zdaniu i poglądom większości" nagrodę im. Pawła Włodkowica, przyznaną przez Rzecznika Praw Obywatelskich.
Wystąpiła w 4 filmach fabularnych, w Człowieku z żelaza Andrzeja Wajdy zagrała samą siebie. Postać wzorowana na Walentynowicz jest bohaterką filmu Volkera Schlöndorffa Strajk; została ona tam przedstawiona jako analfabetka, a jej syn jako członek ZOMO, co stanowi elementy fikcyjne dzieła.
Tragicznie zmarła w katastrofie rządowego samolotu Tu-154 w Smoleńsku w dniu 10 kwietnia 2010 roku