C'est en 2003, alors qu'elle a juste 16 ans, qu'on découvre Anaïs Demoustier au cinéma, aux cotés d'Isabelle Huppert devant la caméra d'Haeneke. Des parrains prestigieux qui lui ont porté chance puisque depuis, la comédienne enchaîne les films dont certains ont marqués le cinéma français ces dix dernières années : "La Belle Personne" de Christophe Honoré, "Belle épine" de Rebecca Zlotowski, "Les Neiges du Kilimandjaro" de Robert Guediguian, "Quai d'Orsay" de Bertrand Tavernier, "Bird People" de Pascale Ferran, "Une Nouvelle Amie" de François Ozon, "À trois on y va" de Jérôme Bonnell, "Caprice" d'Emmanuel Mouret...
Sous ses airs d'oiseaux tombé du nid, apparaît chaque fois une comédienne précise, délicate et à la présence marquante. Riche d'une vaste palette de jeu à milles lieux d'une fadeur que sa fraîcheur et son élégance feraient craindre. Nommée à deux reprises aux Césars et une fois aux Molières, elle a reçu le Prix Romy Schneider en 2011.
Elle est actuellement, et jusqu'au 11 octobre, au théâtre du Rond Point dans Démons aux côtés de Marina Foïs, Romain Duris et Gaspard Ulliel.