Née à San Francisco, Anna Klumpke voyage en Europe dès 1865 pour des raisons de santé. Élevée par sa mère, séparée de son père et divorcée, A. Klumpke a quatre sœurs qui auront toutes des vies remarquables. Augusta (1859-1927) devient neurologue, Dorothea (1861-1942) astronome, Mathilda (1863-1893) pianiste, et Julia (1870-1961) est violoniste et compositrice. Dans les années 1870, A. Klumpke étudie d’abord le dessin dans un pensionnat allemand avant de partir en Italie, à dix-neuf ans, pour apprendre à peindre. Elle commence à vendre ses œuvres – notamment des peintures de fleurs pour une clientèle de touristes – afin de payer ses cours. Elle emménage à Paris et copie les œuvres des musées, comme le Labourage nivernais (1849) de Rosa Bonheur (1822-1899) qu’elle vend à sa tante : cet argent lui permet de suivre les cours de l’académie Julian. Elle débute au Salon des artistes français en 1882 avec Une excentrique. Elle est alors élève de Tony Robert-Fleury (1837-1911) et de Pierre Auguste Cot (1837-1883). Elle conserve un style dit académique tout au long de sa carrière, y adjoignant une touche inspirée de l’impressionnisme dans ses envois les plus tardifs.

Dès 1882, A. Klumpke réalise des portraits sur commande. En 1885, elle reçoit une mention honorable au Salon des artistes français pour le portrait de sa sœur Augusta. Le peintre animalier Félix de Vuillefroy (1841-1916) l’invite à passer un mois au château de Thury et la conseille pour les esquisses sur le motif et le mélange des couleurs. À la suite de ce séjour, en 1888, elle expose La Buanderie (In The Wash-house). L’œuvre est remarquée par la conservatrice d’art états-unienne Sara Tyson Hallowell, est envoyée à la World’s Columbian Exposition de 1893 et est ensuite présentée à la Pennsylvania Academy of the Fine Arts. A. Klumpke devient alors la première femme à recevoir la Temple Gold Medal.
Elle expose un portrait de sa mère au Salon des artistes français en 1889 et, la même année, Une Merveilleuse à l’Exposition universelle qui lui vaut une médaille de bronze. Lors d’un séjour dans la maison de la famille Stanton dans le sud de la France, elle réalise le portrait de la féministe, abolitionniste et suffragiste états-unienne Elizabeth Cady Stanton. L’accent est mis sur le visage et l’ensemble rappelle les portraits de Léon Bonnat (1833-1922).

Du fait de ses liens avec les États-Unis, A. Klumpke accueille et conseille les visiteur·se·s états-unien·ne·s. C’est ainsi qu’elle fait la rencontre de R. Bonheur en 1889, alors qu’elle accompagne l’éleveur de chevaux John Arbuckle. En 1891, A. Klumpke est invitée à Boston pour réaliser des portraits et expose en 1892 au St. Botolph Club. De retour à Paris en 1895, elle convainc le pastelliste François Thévenot (1856-1943) de la former à cette technique. En 1898, elle présente trente-neuf œuvres dans l’exposition qui lui est dédiée à la Albany Historical and Art Society aux États-Unis. Elle rentre ensuite en France à la demande de R. Bonheur pour réaliser son portrait. Ce portrait d’apparat, conservé au Metropolitan Museum of Art à New York, présente l’artiste avec la Légion d’honneur. R. Bonheur propose à A. Klumpke de s’installer avec elle à By et de devenir sa biographe. Un second portrait, conservé au château de Fontainebleau, est réalisé vers 1899. Le 25 mai de cette année, R. Bonheur décède et fait de sa dernière compagne, A. Klumpke, sa seule héritière.
A. Klumpke fonde l’école Rosa Bonheur Memorial Art School for Women Painters and Sculptors à By. Pendant la Première Guerre mondiale, elle transforme son atelier en hôpital et accueille les soldats blessés. Ses succès au Salon reprennent après la guerre. En 1931, elle reçoit une médaille de bronze pour La Joie du foyer. Elle est faite chevalier de la Légion d’honneur en 1924 et officier en 1936. En 1942, ses cendres sont déposées près de R. Bonheur et de Nathalie Micas au cimetière du Père-Lachaise, à Paris.