Anne Dorval a tenu plusieurs rôles marquants au théâtre. Dirigée, entre autres, par Serge Denoncourt et René Richard Cyr. Elle travaille avec aisance les grands classiques comme Racine ou Molière autant que des textes plus contemporain comme Juste la fin du monde de Jean-Luc Lagarce.

Si son premier amour reste le théâtre, Anne Dorval a plusieurs cordes à son arc. À la télévision, on la retrouve dans les comédies Le Cœur a ses raisons (parodie des grands soaps américains) et Les Bobos avec son complice Marc Labrèche. Elle  interprètera par la suite, Natalie l’inoubliable mère de famille à la fois moderne et traditionnelle, de la série télévisée Les Parents diffusée entre 2008 et 2016.

En 2009 au cinéma, elle incarne la mère fantasque de Xavier Dolan dans le premier film de ce dernier : J’ai tué ma mère. C’est un véritable tournant pour elle, le film étant notamment présenté à la Quinzaine des réalisateurs du 62e Festival de Cannes. Elle remporte pour ce rôle marquant les prix de la meilleure actrice au Jutra, au Festival International du film de Palm Spring et au Festival International du Film Francophone de Namur.

En 2010, le réalisateur québécois Émile Gaudreault la met à son tour en vedette dans son long métrage Le sens de l’humour. La même année, Anne Dorval retrouve Xavier Dolan dans Les Amours Imaginaires, puis dans Laurence Anyways en 2012 avant de tenir le rôle-titre dans Mommy en 2014. Un rôle qui lui a valu plusieurs prix d’interprétation (Prix Écrans Canadiens, Festival International du film de Palm Spring, Festival International du Film Francophone de Namur). En 2016, elle est au casting de Réparer les vivants de Katell Quillévéré, adaptation du roman à succès de Maylis de Kérangal et l’année suivante, elle est de la distribution de Jalouse de David et Stéphane Foenkinos avec Karin Viard. En 2019, elle participe à la série française Mouche, réalisée par Jeanne Herry et diffusée sur Canal+.  En 2020, elle obtient une nomination, meilleure interprétation féminine premier rôle, au Gala Québec Cinéma pour 14 jours, 12 nuits de Jean-Philippe Duval. Elle a été également de la distribution de Matthias et Maxime, dernier long-métrage de Xavier Dolan . En tant que professeur invitée à Star Académie à l’hiver 2021, elle aura l’occasion d’apporter aux jeunes académiciens sa grande expérience dans l’interprétation des textes.

En doublage, elle est devenue la « voix » de plusieurs stars américaines comme Kim Basinger, Robin Wright ou Angelina Jolie, Sharon Stone et Lucy Liu.