Pierwszy sukces w karierze Anna Meares osiągnęła w 2001 roku, kiedy została mistrzynią świata juniorów w wyścigu na 500 m. Na igrzyskach Wspólnoty Narodów w Manchesterze w 2002 roku zdobyła brązowy medal w sprincie indywidualnym, a rok później, podczas mistrzostw świata w Stuttgarcie była druga w keirinie, ulegając tylko Rosjance Swietłanie Grankowskiej. Przez osiem kolejnych lat tylko na mistrzostwach świata w Manchesterze w 2008 roku nie zdobyła żadnego medalu. Meares wygrywała w wyścigu na 500 m podczas MŚ 2004, MŚ 2007, MŚ 2010 i MŚ 2012; w keirinie na MŚ 2011 i MŚ 2012; w sprincie drużynowym na MŚ 2009, MŚ 2010 i MŚ 2011 oraz sprincie indywidualnym na MŚ 2011. Najlepiej wypadła na mistrzostwach świata w Apeldoorn w 2011 roku, gdzie zdobyła trzy złote medale, jednak najwięcej medali zdobyła podczas MŚ 2007, MŚ 2010 i MŚ 2012 (po cztery). W 2014 roku wystąpiła na mistrzostwach świata w Cali, gdzie zdobyła srebrne medale w keirinie i wyścigu na 500 m.