Родилась 25 января 1944 года. Дочь итальянского артиста и немецкой секретарши, Анита с ранних лет научилась говорить на четырёх языках. Перед тем как осесть в Лондоне, она жила в Германии и Нью-Йорке, где работала с Living Theater (роль в постановке Paradise Now, включавшая обнажение на сцене) и на «Фабрике» Энди Уорхола.

Палленберг стала известной благодаря своим романтическим отношениям с участниками группы Rolling Stones: Брайан Джонс, с которым она познакомилась в 1965 году, и Кит Ричардс, к которому она ушла после разрыва с Джонсом в 1967 году. Также известно об ее краткосрочных отношениях с Миком Джаггером во время съемок фильма Представление, в котором она сыграла одну из ролей и выступила соавтором сценария, но осталась недовольна работой.

В марте 2007 года, когда «Perfomance» был выпущен на DVD, Анита категорически отрицала любовную связь. Палленберг и Ричардс родили троих детей: в 1969 году родился сын Марлон, в 1972 году — дочь Анжела. Третий ребенок, сын Тара, родившийся в 1976 году, имел сложности со здоровьем и умер вскоре после родов.

Палленберг оказала значительное влияние на творчество Rolling Stones в период со второй половины шестидесятых и на протяжении семидесятых годов, и упоминалась во многих публикациях о группе как в то время, так и впоследствии Она сыграла исключительную роль в «мужском» мире рок-н-ролла поздних шестидесятых, непохожую на роль «девушки из тусовки», жены или участника коллектива. Музыканты шутят то что мнение Палленберг заставило Мика Джаггера вернуться на студию и свести заново альбом Beggars Banquet, хотя материал уже был готов к выпуску.

В вышедшем в 2002 году релизе группы Forty Licks, Палленберг обозначена как бэк-вокал в песне «Sympathy for the Devil»: ее интерес к оккультизму оказывал влияние на имидж группы весь период, в течение которого она жила с Китом Ричардсом. Воспоминания Тони Санчеса, работавшего одно время у Ричардса телохранителем и поставщиком наркотиков, кратко описывают множество странных мистических увлечений Палленберг.

Несмотря на то что Анита Палленберг была матерью и предпочитала домашнюю жизнь, она разделяла многие удовольствия своего мужа, и была впервые задержана по обвинению в хранении наркотиков в 1977 году в Торонто, что едва не развалило группу. Ордер на ее арест послужил поводом для обыска номера в отеле, в котором остановились Палленберг и Ричардс. Обнаруженное у нее количество марихуанны было несравненно меньшим, чем у Ричардса, и против Кита было возбуждено дело. Угроза заключения ухудшила отношения между Палленберг и Ричардсом, и в 1981 году Ричардс сообщил в интервью журналу «Rolling Stone» о том, что размолвка состоялась под давлением адвокатов, убедивших его расторгнуть отношения в попытке избежать более серьезных проблем в будущем. Также Ричардс заявил о том что он продолжает любить Аниту, несмотря на то что в то время у него завязывались отношения с будущей женой Патти Хансен.

В 1985 году в интервью тому же журналу Мик Джаггер заявил о том что Палленберг «чуть не убила его» когда его спросили, не чувствует ли группа ответственности за пристрастие к наркотикам некоторых людей, бывших вблизи группы, таких как Маршалл Чесс, Джон Филлипс и Палленберг. Несмотря на это, Ричардс продолжает поддерживать отношения с Палленберг, приглашая на семейные мероприятия и концерты, часто с детьми и внуками, и как утверждается, она завязала дружбу с новой супругой гитариста Патти Хансен. Певица Марианна Фэйтфулл, бывшая подружкой Джаггера в конце шестидесятых, остается лучшей подругой Палленберг: в 2001 году они вместе сыграли в англо-французском фильме Absolutely Fabulous, где Фэйтфулл сыграла роль Бога, а Палленберг — Дьявола.

В 1979 году в общем доме Палленберг и Ричардса в Саус Сэлэм, Нью-Йорк, в кровати Палленберг выстрелом в голову из пистолета, принадлежащего музыканту, покончил жизнь самоубийством семнадцатилетний Scott Cantrell. Юноша работал сторожем в поместье, и оказался вовлечен в интимную связь с Палленберг. Сам Ричардс находился в это время в Париже, где записывал материал с Roilling Stones, однако его сын в момент убийства находился дома. Палленберг была арестована, но в 1980 году дело классифицировали как «самоубийство», несмотря на слухи о том что любовники играли в «русскую рулетку». Полицейское следствие сделало вывод о том что Палленберг не находилась в комнате в момент выстрела.

В течение нескольких лет Палленберг приняла участие в съемках множества фильмов. Особенно яркими были ее роли Черной Королевы в классическом научно-фантастическом фильме Вадима Роже Барбарелла, роль спящей жены Мишеля Пиколли в ленте Dillinger è morto режиссера Марко Феррери, и в авангардной ленте 1970-го года Представление. В 1968 году она приняла участие в документальном фильме о группе Sympathy for the Devil французского режиссера Жан-Люка Годара, а также Cocksucker Blues — не вышедшего документального фильма Роберта Фрэнка об американском туре Rolling Stones в 1972 году.

В недавнем прошлом образ Палленберг был обыгран в кино и на телевидении. Актриса Monet Mazur сыграла молодую Палленберг в фильме 2005 года Stoned, биографической ленте о последнем годе жизни Брайана Джонса. В 2006 году на телеканале NBC в телевизионном шоу Studio 60 on the Sunset Strip героиня Harriet Hayes, нанятая для этой роли самой Палленберг, снялась в эпизоде самоубийства семнадцатилетнего Кэнтрелла, основанный на версии «русской рулетки». Но это указывает лишь на то что режиссер позволил себе пофантазировать и то что Палленберг абсолютно оправдана в убийстве Кэнтрелла.

Палленберг занялась дизайном одежды в девяностых, после четырех лет в лондонской St. Martins School of Art and Design.

В 2007 году вышли сразу два фильма с участием Аниты Палленберг. «Мистер Одиночество», в котором Анита сыграла роль двойника Елизаветы II и фильм «Сказки стриптиз-клуба», который был показан вне конкурса на Каннском кинофестивале.

В 2009 году Анита снялась в фильме «Шери», экранизации романа Колетт «1920-е» и в фильме «Неаполь, Неаполь, Неаполь».

А в 2010 году вышел документальный фильм «Роллинг Стоунз в изгнании» с участием Аниты, а также фильм «4:44 Последний день на Земле».