Anna Villa si è laureata con lode in Medicina e Chirurgia nel 1986 presso l’Università Statale di Milano con una tesi sui "Riarrangiamenti dei geni alfa e beta del T cell receptor e del gene gamma nei linfomi umani". Ha conseguito la Specialità in Oncologia Clinica e Sperimentale nel 1991. Dopo un periodo passato presso l’Istituto San Raffaele, l'Istituto di Patologia Generale di Milano e l’Istituto di Genetica e Biofisica di Napoli, dal 1989 ha lavorato come ricercatrice presso l’Istituto di Tecnologie Biomediche del CNR di Milano. Dal 2001 è Dirigente di Ricerca presso il CNR. Dal 2006 ha diretto il Gruppo Wiskott Aldrich presso l’Istituto Telethon per la Terapia Genica (TIGET) presso la Fondazione San Raffaele di Milano.

La sua attività si è svolta soprattutto nel settore della malattie genetiche, cui ha contribuito con l’individuazione di numerosi geni responsabili per varie forme di immunodeficienze primitive e di osteopetrosi.

Nel 2005 è risultata vincitrice del Premio Europeo Descartes nel settore Scienze della Vita.

E’ autrice di un centinaio di pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali.

Dal 2007 è responsabile del Laboratorio di Genoma Umano presso l’I stituto Clinico Humanitas.