Anna nacque a Parigi in un ramo cadetto francese del ducale Casato dei Gonzaga, che governava Mantova nel nord dell'Italia. I titoli di duca di Nevers e di Rethel, in Francia, furono acquisiti dalla famiglia Gonzaga quando il nonno paterno di Anna, Ludovico Gonzaga, uno dei figli più giovani del Duca Federico II e Margherita Paleologa, sposò l'erede dei ducati di Nevers e Rethel nel 1566. Il ramo Nevers tornò poi a governare nuovamente Mantova dopo la Guerra di successione di Mantova e del Monferrato, innescata in parte dalla rivendicazione di suo padre, di nascita parigina, su Mantova e sul Monferrato. Con la promessa del sostegno da parte della corona francese, la quale naturalmente preferiva un pari francese che governasse Mantova, Carlo arrivò lì nel gennaio 1628 e si proclamò suo erede e sovrano.