Ana Carlota nasceu no Castelo de Lunéville numa altura em que a capital do Ducado de Lorena, Nancy, se encontrava ocupada pelas tropas do rei Luís XIV devido à Guerra de Sucessão Espanhola. Quando nasceu, tinha três irmãos e uma irmã ainda vivos: Leopoldo Clemente, herdeiro ao trono desde a morte do irmão Luís em 1711; Francisco Estêvão, nascido em 1708; Isabel Teresa, nascida em 1711; e Carlos Alexandre, nascido em 1712. Em 1718, a sua mãe perdeu mais uma filha que morreu pouco depois de nascer.