Anna Katarina av Brandenburg föddes den 26 juni 1575 i Halle an der Saale som dotter till kurfurst Joakim Fredrik av Brandenburg och Katarina av Brandenburg-Küstrin tillhörande Huset Hohenzollern. Hennes uppväxt präglades av det lutherska hovlivet i Tyskland och den tidens furstliga allianspolitik.

Den 28 november 1592 gifte hon sig i Stockholm med hertig Karl av Södermanland, som senare kröntes till kung av Sverige som Karl IX. Genom äktenskapet blev hon hertiginna och därefter drottning av Sverige när Karl besteg tronen efter Sigismund.

Drottning Anna Katarina kröntes tillsammans med sin gemål i Uppsala domkyrka den 15 mars 1607. Som drottning beskrivs hon ofta som allvarlig, dygdig och djupt religiös med ett starkt engagemang för den lutherska ortodoxin i riket.

Tillsammans med Karl IX fick hon flera barn, däribland den blivande konungen Gustav II Adolf och hertig Karl Filip. Hennes moderliga inflytande på de kungliga arvingarna anses ha varit betydelsefullt under deras uppväxt vid det svenska hovet.

Hennes hälsa vacklade under senare år, och hon avled den 29 mars 1612 på Nyköpings hus. Hon efterlämnade ett djupt sörjande kungarike och begravdes i Strängnäs domkyrka.