Anna Pawełczyńska urodziła się 29 kwietnia 1922 w Pruszkowie. Ojciec był urzędnikiem, a potem kierownikiem sklepu tekstylnego; matka wywodziła się z rodziny ziemiańskiej, która uciekła z Podola przed Armią Budionnego. Uczęszczała do liceum im. Królowej Jadwigi w Warszawie, które ukończyła na kompletach w trakcie wojny (matura w Milanówku w 1940 roku). Od 1942 roku uczestniczy w kompletach uniwersyteckich, studiuje prawo, a dorywczo też ekonomię i dziennikarstwo. Aresztowana jeszcze w tym samym roku, spędza 9 miesięcy w więzieniu na Pawiaku, następnie wywieziona do Oświęcimia, skąd z kolei trafia do fabryki amunicji w Dreźnie. Podejmuje studia na Uniwersytecie Warszawskim na kierunku socjologia, które kończy zdobyciem tytułu magistra w 1950 roku za rozprawę Elementy tradycji i postępu w grupach mieszkańców osiedla Młynów przygotowaną pod kierunkiem Stanisława Ossowskiego. Został on też promotorem jej doktoratu pt. Przestępczość grup nieletnich obronionego w 1960 roku. Habilitację zdobywa sześć lat później, a tytuł profesora w roku 1980.
Pawełczyńska należała do kręgu starszych ossowszczyków. Relacje ze Stanisławem i Marią Ossowskimi określiły dwie dekady jej życia - rozpoczęte podjęciem studiów na Uniwersytecie Warszawskim w październiku 1945 roku, zakończone dymisją ze stanowiska dyrektora Ośrodka Badania Opinii Publicznej przy Komitecie ds. Radia (i TV) na przełomie 1964/65 roku. Od początku 1947 roku była studentką Ossowskiego na Wydziale Humanistycznym UW, jego magistrantką, uczestniczką uniwersyteckich oraz domowych seminariów i starszą asystentką w kierowanej przez Ossowskiego w Katedrze Socjologii I na UW w latach 1957-1960.
Na przełomie 1939 i 1940 roku podjęła zadania w konspiracyjnej organizacji „Pobudka”, utworzonej przez działaczy przedwojennego Ruchu Narodowo-Radykalnego Falanga. Już w ramach Związku Walki Zbrojnej Armii Krajowej (ZWZ AK) wykonywała zadania nasłuchu radiowego, pisania komunikatów i kolportażu (warszawskiego i „dalekobieżnego”) Biuletynu Informacyjnego – organu Biura Informacji i Propagandy KG AK. Z polecenia ZWZ-AK zajmowała się wyszukiwaniem i najmem lokali za cele konspiracyjne w Warszawie. Od początku 1942 roku uczestniczyła w „kolportażu dalekobieżnym” Organizacji Orła Białego; gdy więc została aresztowana w nocy z 15 na 16 sierpnia 1942 roku zrazu nie znała powodu uwięzienia na ul. Pawiej, a po miesiącach śledztwa, w maju 1943 roku - wywiezienia do obozu Auschwitz. Przetrwały tam ślady poświadczające udział Pawełczyńskiej w obozowej konspiracji. W listopadzie 1944 roku przemieszczono ją do filii KZ Flossenbürg w drezdeńskiej Zeiss Ikon Fabrik, gdzie 13 i 14 lutego 1945 roku przeżyła bombardowania Drezna. Była dumna, że po ucieczce z kolumny więźniów i wyzwoleniu przez Ludowe Wojsko Polskiewydatnie przyczyniła się do powstania polskiego Komitetu Pomocy Wracającym do Kraju w Koenigstein pod Dreznem.
Studia na Wydziale Humanistycznym Uniwersytetu Warszawskiego łączyła z wykonywaniem obowiązków społecznego kuratora przy Sądzie dla nieletnich w Warszawie. Dyplom magistra uzyskała w grudniu 1950 roku broniąc rozprawę pt. Elementy tradycji i postępu w grupach mieszkańców osiedla Młynów. Znała temat, ponieważ od 1949 do 1953 roku pracowała zawodowo jako socjolog w przedsiębiorstwie Miasto-Projekt ZOR. W 1954 roku dołączyła do zespołu kierowanego przez prof. Stanisława Batawię i skupionego na zjawiskach przestępczości; została zatrudniona na stanowisku asystenta w Zakładzie Kryminologii Instytutu Nauk Prawnych PAN. Stanisław i Maria Ossowscy wrócili na Uniwersytet Warszawski w roku ak. 1956/57, a w 1957 roku Pawełczyńska podjęła obowiązki starszego asystenta w Katedrze Socjologii I i uczestniczyła w zespole, który zrealizował i opracował wyniki badania Studenci 1958 - paradygmatycznego dla polskiej socjologii ilościowej. W 1956 roku trzy miesiące przebywała na stypendium Forda wizytując Francuski Instytut Badania Opinii i Rynku, oraz francuski Instytut Narodowych Studiów Demograficznych. Udzielała się także w sekcji diagnostyki społecznej Klubu Krzywego Koła, z której wyszedł pomysł powołania instytucji badającej opinię publiczną. W 1958 roku Sekcja Badania Opinii Publicznej przy Biurze Listów Polskiego Radia stała się Ośrodkiem Badania Opinii Publicznej, a Pawełczyńskiej powierzono stanowisko dyrektora tej instytucji Ośrodkiem Badania Opinii Publicznej kierowała do dymisji w 1964 roku, gdy doszło do reorganizacji ośrodka. Swoje obowiązki na Uniwersytecie ograniczyła do pół etatu, a w 1960 roku zakończyła. W tymże roku uzyskała stopień doktora nauk humanistycznych na podstawie rozprawy pt. Przestępczość grup nieletnich.
Od 1965 r. Pawełczyńska podjęła obowiązki adiunkta w Pracowni Badania Kultury Współczesnej przy Instytucie Badań Literackich PAN, a od 1969 r. zadania adiunkta w Zespole Prognoz Społecznych Instytutu Filozofii i Socjologii PAN. Owocem pracy w OBOP była opublikowana w 1966 roku książka pt. Dynamika przemian kulturowych na wsi. Metoda badania głównych tendencji. Ta metodologicznie nowatorska na swoje czasy rozprawa była podstawą habilitacji przyznanej w tymże roku przez Radę Naukową Wydziału Filozoficznego Uniwersytetu Warszawskiego.
Międzypoziomowe wnioskowania możliwe dzięki połączeniu kwestionariuszowych odpowiedzi z charakterystykami województw dostarczanymi przez GUS wydają się dzisiaj mało wyrafinowane, bo oceniane są z perspektywy nowych statystycznych metod analizy. Książka Pawełczyńskiej nawet po latach ma jednak walory poznawcze – pokazuje cywilizacyjny awans dokonany w Polsce, gdy punktem wyjścia są dobrze udokumentowane lata 60. XX wieku. Podobny cel dokumentowania przemian postaw, wartości i stylów życia pod wpływem poprawy i unowocześnienia materialnych warunków życia ma drugie książkowe opracowanie danych OBOP pt. Urbanizacja kultury w Polsce, opublikowane w 1972 roku. Powtórzona jest metoda, czyli łączenie wyników sondaży OBOP i danych urzędowych; nowy jest głos obywatelski – wyrażenie oczekiwań wobec politycznej ekipy Edwarda Gierka - oczekiwań raczej demokratyzacji niż liberalizacji w imię społecznego postępu.
Początek lat siedemdziesiątych był czasem przewartościowań: Pawełczyńska zmienia metodę badań i dziedzinę zainteresowań. W 1973 roku opublikowała książkę Wartości a przemoc. Zarys socjologicznej problematyki Oświęcimia. Publikacja przyniosła jej uznanie i rozgłos. Podjęła temat społeczeństwa w czasie II wojny światowej czyniąc podstawą wniosków własne doświadczenia obozowe i spisując je w języku w języku wartości, norm, międzyludzkich więzi i sprawczej siły kontekstu działań. Książka miała trzy wydania w Polsce, dwa w Stanach Zjednoczonych; wydano też przekład w języku niemieckim.
W 1968 roku Pawełczyńska przestała być członkiem PZPR, a w styczniu 1976 roku podpisała list protestacyjny do Sejmu, tzw. Memoriał 101, wyrażający obywatelski sprzeciw wobec planów dodania do konstytucji zapisów o trwałym sojuszu z ZSRR, o przewodniej roli PZPR w państwie i uzależnieniu przestrzegania praw obywatelskich od wykonywania obowiązków wobec państwa. Sygnatariuszy protestów ukarano. W dokumencie Wydziału Nauki i Oświaty KC PZPR znajduje się postanowienie wobec Pawełczyńskiej: „Wystąpić o przeniesienie na emeryturę […] Wycofać wniosek o profesurę”. Odeszła z Polskiej Akademii Nauk w czerwcu 1980 roku w stosunkowo młodym wieku, tytuł profesora nadzwyczajnego przyznano jej niespełna trzy miesiące przed rozwiązaniem umowy o pracę.
Uczestniczyła w dyskusjach poprzedzających przygotowanie raportów konwersatorium Doświadczenie i Przyszłość. Odsunięta od zawodowych obowiązków i zasobów Akademii Nauk wróciła do działań, które przećwiczyła w młodości. Już od września 1980 roku była aktywna w grupie zajmującej się problematyką oświaty i wychowania w ramach zdelegalizowanego po roku związku NSZZ Solidarność. Nie zaniechała lektur i pracy pisarskiej. W 1986 roku ukazała się jej książka pt. Czas człowieka. Jest to dzieło o trudnej sztuce życia - filozoficzne, miejscami teologiczne, nasycone cytatami z tekstów poetyckich i religijnych wszystkich kultur; wiele tam cytatów z pism polskich romantyków. Czas to synonim przemijania, zaś ludzki namysł nad czasem sięga po treści ze źródeł głębszych niż socjologiczne sondaże.
Po 1989 roku Pawełczyńska wróciła do publicznych, tj. odkrytych działań; w latach 1992–1996 stanęła na czele Rady Nadzorczej Fundacji Polsko-Niemieckie Pojednanie. Ostatnie dwie dekady życia poświęciła przede wszystkim opisaniu tego, co się wydarzyło społeczeństwu polskiemu w XX stuleciu. Po przełomie ustrojowym opublikowała dwie rozprawy socjologiczne i dwie zredagowała; wydała dwie książki wspomnieniowo-historyczne i jedną dydaktyczno-wychowawczą, autobiografię oraz tomik wspomnień i refleksji. Socjologiczny ciężar mają książki: Głowy hydry: o przewrotności współczesnego zła (2004) i O istocie narodowej tożsamości: Polacy wobec zagrożeń (2010). Absolutyzm moralny przeciwstawia relatywizmowi i skutkom w postaci trzech totalitaryzmów: niemieckiemu nazizmowi, sowieckiemu komunizmowi i nieopisanym jeszcze nihilistycznym treściom liberalizmu. Mechanizmy i skutki totalitaryzmu niemieckiego analizowała na podstawie doświadczeń z Auschwitz. W Polsce Ludowej widziała odmianę Generalnej Guberni, bo także wasalne państwo, taką samą intencję rozbijania społecznych więzi i wspólnot w totalitaryzmie niemieckim i sowieckim. W braku rozliczenia Polski Ludowej po 1989 roku dostrzegała zagrożenie dla kondycji polskiego społeczeństwa i dla funkcjonowania polskiego państwa. Dwa totalitaryzmy XX wieku, jeśli nawet nie do końca przezwyciężone, zostały przynajmniej rozpoznane i opisane. Społeczeństwa stoją teraz przed totalitaryzmem o liberalnych korzeniach, atrakcyjnym w Polsce dla nierozliczonych elit totalitaryzmu sowieckiego. Genezę i mechanizmy nowego totalitaryzmu Pawełczyńska opisywała w swoich ostatnich rozprawach. Narrację i niektóre pojęcia przejęli politycy prawej strony politycznego sporu. Na wykonawcę czeka socjologiczna analiza jej ostatnich tez.
Anna Pawełczyńska zmarła 21 czerwca 2014 i została pochowana w rodzinnym grobie na cmentarzu przy ulicy Komorowskiej w Pruszkowie.