Née en Belgique, Anne Coesens s'adonne au théâtre tout au long de sa scolarité. S'ensuit le Conservatoire Royal de Bruxelles, dont elle ressort en 1990 avec un premier prix. Elle intègre dans la foulée le Conservatoire de Paris. En 1986, elle décroche un petit rôle dans La puritaine de Jacques Doillon, mais la majorité des ses activités sont tournées vers le théâtre (Un lion en hiver, Le songe d'une nuit d'été, Cyrano de Bergerac, L'ermite dans la Forêt, La rue du château) et à la télévision (Une soupe aux herbes sauvages, Ce que raconte Ernesto). En ce qui concerne le cinéma, c'est le réalisateur Alain Berliner qui lui met le pied à l'étrier, d'abord en lui confiant le premier rôle de son court Le jour du chat, puis en lui confiant le personnage de l'institutrice dans Ma vie en rose. Suit notamment un petit rôle dans Alliance cherche doigt de Jean-Pierre Mocky, un autre plus conséquent dans Pure fiction, de Marion Handwerker (non distribué en France) ainsi que dans le moyen métrage Chambre froide, réalisé par Olivier Masset-Depasse. A partir de 1995, Anne Coesens se fait de plus en plus présente à la télévision grâce à son rôle récurrent dans la série Brigade spéciale, et à sa présence dans de nombreux téléfilms. Le cinéma lui ouvre enfin les bras à partir de 2000 avec notamment Le secret de Virginie Wagon, Quand tu descendras du Ciel d'Éric Guirado (2002), Demain on déménage de Chantal Akerman (2004), L'Ennemi naturel de Pierre-Erwan Guillaume (2004), Darling de Christine Carrière (2007), Cages de Olivier Masset-Depasse (2008) et 9mm de Taylan Barman (2008). En 2009, elle joue dans le polar de Diamant 13 de Gilles Béat.
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