Anna Tomowa-Sintow studierte am Staatlichen Konservatorium in Sofia bei Georgi Slatew-Tscherkin und bei Katja Spiridonowa. Als Abschlussexamen sang sie die Tatjana in Tschaikowskis Eugen Onegin. Gleich darauf wurde sie an das Opernstudio in Leipzig engagiert. Dort debütierte sie in der Uraufführung Guyana Johnny von Alan Bush. Ihr erstes großes Operndebüt auf der Bühne war mit Abigaille in Verdis Nabucco. Dem folgten viele weitere Hauptpartien des italienischen und deutschen Faches, welche sie mit dem Dirigenten Rolf Reuter, sowie Paul Schmitz (einem ehemaligen Schüler von Richard Strauss) erarbeitete.

Ihrem Engagement 1972 im Ensemble der Berliner Staatsoper folgte ein Jahr später der internationale Durchbruch in Paris mit dem Verdi-Requiem. Seither singt Anna Tomowa-Sintow mit den wichtigsten Dirigenten (wie Karl Böhm, Riccardo Chailly, Herbert von Karajan, Carlos Kleiber, Lorin Maazel, Zubin Mehta, Riccardo Muti und Wolfgang Sawallisch) und an allen großen Opernhäusern (wie Bayerische Staatsoper, Lyric Opera of Chicago, Deutsche Oper Berlin, Mailänder Scala, Metropolitan Opera New York, Royal Opera House Covent Garden und Wiener Staatsoper) und Festivals (insbesondere bei den Salzburger Festspielen sowie beim Maggio Musicale Fiorentino). Besonders eng hat sie 17 Jahre mit dem Dirigenten Herbert von Karajan zusammengearbeitet. 2001 feierte sie ihr 35-jähriges Bühnenjubiläum mit einer konzertanten Aufführung von Verdis Aida an der Nationaloper Sofia.

Anna Tomowa-Sintow gibt ihre Erfahrungen von Bühne und Konzertsaal in zahlreichen Meisterkursen in verschiedenen Ländern an die junge Generation weiter und ist Jury-Mitglied bei internationalen Gesangswettbewerben.

Die geborene Anna Tomowa ist verheiratet mit Albert Sintow. Das Paar hat eine Tochter.