Anh Thư khởi nghiệp bằng nghề người mẫu từ đầu những năm 2000. Nhờ gương mặt khả ái, cộng với sự tự tin trên sàn catwalk, cô đã dành khá nhiều giải thưởng lớn nhỏ ở lĩnh vực này.
Duyên điện ảnh đến với Anh Thư khi đạo diễn Hồ Ngọc Xum bắt gặp hình cô trên báo, thấy rất phù hợp với vai diễn nên đã gọi điện mời cô đi đóng phim. Đúng là cơ duyên bởi lúc đó Anh Thư không cần thử vai, cứ thế mà theo đoàn phim lên rừng Thác Mai (Lâm Đồng) để chuẩn bị cho các cảnh quay. Đó là vai cô y tá Trâm trong bộ phim truyền hình nhiều tập Sương gió biên thùy. Trâm yêu đồng chí cán bộ đẹp trai Phong (Trung Dũng) và người bạn tốt của Tiểu Phụng (Việt Trinh). Cô cũng đảm nhận nhiệm vụ băng bó, xức thuốc đỏ cho bộ đội bị thương. Đây là lần đầu Anh Thư xa nhà, cũng là lần đầu tiên biết thế nào là tắm suối, ngủ lều, trong khung cảnh đèn dầu lù mù, bên ngoài trời mưa rả rích... Tuy gian khổ là thế nhưng cô diễn viên trẻ đã ở một mạch đến hơn 30 ngày.
Tưởng ghé qua điện ảnh một chút, nào ngờ, ba năm sau, đạo diễn “đầu trọc” Võ Ngọc Đãng nhắn Anh Thư đến thử vai cho phim Những cô gái chân dài. Lúc đó, Anh Thư nghe đâu vai chính đã được chọn rồi, giờ chỉ còn vai nhỏ, nhưng thấy bạn bè trong giới người mẫu đi nên cũng đi cho vui. Với tâm lý thoải mái, Anh Thư “bung” hết khả năng diễn xuất theo các tình huống đạo diễn đặt ra. Thật không ngờ đạo diễn Ngọc Đãng lại nói với Anh Thư rằng, vì tính cách của cô rất giống nhân vật nên cô được chọn đóng vai chính.
Những cô gái chân dài xoay quanh cuộc sống của nhân vật Thủy, một cô gái từ nông thôn lên thành phố ở cùng chị gái là giáo viên. Tình cờ cô gặp Hoàng, thợ ảnh cho một công ty thời trang. Nhờ Hoàng, Thủy bước chân vào lĩnh vực thời trang. Chị gái của Thủy phản đối nên Thủy bỏ nhà, rồi thuê phòng sống chung cùng hai cô người mẫu khác. Trong sự cạnh tranh khốc liệt của giới người mẫu, Thủy chấp nhận cặp cùng một nhiếp ảnh gia nổi tiếng để trở thành người mẫu vedette.
Hai lần được mời đóng phim là hai lần Anh Thư bị bất ngờ, thế nhưng cái bất ngờ khiến cô bàng hoàng không thể tin được là khi nghe mình nhận được giải Nữ diễn viên xuất sắc nhất tại lễ trao giải Mai Vàng 2004 cho vai Thủy trong Những cô gái chân dài.
Ngoài thành công về thương mại, Những cô gái chân dài còn đạt giải Bông sen bạc tại Liên hoan phim Việt Nam lần thứ 14 năm 2005. Đây là lần đầu tiên phim của một hãng tư nhân tham gia Liên hoan phim Việt Nam và đã nhận được giải. Từ giải thưởng danh giá này, con đường đến với điện ảnh rộng mở với Anh Thư hơn bao giờ hết. Tác phẩm điện ảnh tiếp theo của Anh Thư là Hồn Trương Ba, da Hàng Thịt chiếu vào dịp Tết 2006. Dựa theo điển tích về chuyện chàng Trương Ba nho nhã trong xác anh hàng thịt thô lỗ, đạo diễn Nguyễn Quang Dũng đã viết một kịch bản với nhiều tuyến nhân vật phong phú, đa dạng. Bối cảnh câu chuyện xảy ra ở thời hiện đại. Trương Ba (Johnny Trí Nguyễn) là một nhân vật nổi tiếng trong các vũ trường, được quý bà, quý cô và cả giới đồng tính mê mệt. Sang Hàng Thịt (Phước Sang) là người chuyên tâm làm ăn với lò mổ gia truyền.Sau một tai nạn do Đế Thích gây ra, Trương Ba và Sang Hàng Thịt đổi hồn cho nhau. Không chỉ họ gặp phiền toái mà cả những người thân xung quanh họ cũng gặp biết bao nhiêu chuyện tréo ngoe, nực cười. Không ai tin họ bị đổi hồn và cả hai bị đưa vào bệnh viện tâm thần để điều trị. Trong phim, Anh Thư vào vai Thị, cô vợ cùng người vợ xinh đẹp nhưng hung dữ, táo tợn của Sang Hàng Thịt. Tuy lần đầu tiên đóng hài nhưng Anh Thư cũng cho thấy tố chất và sự tự nhiên trong diễn xuất với thể loại này.
Cũng trong năm 2006, Anh Thư còn góp mặt trong một bộ phim truyền hình mang tên Tuyết nhiệt đớicùng một chân dài đình đám khác là Thanh Hằng.
Trong bộ phim này, Anh Thư vào vai Hằng, cô gái tính tình ngổ ngáo sống cùng với anh trai ở khu xóm ven đường ray. Ngày ngày Hằng chạy xe ba gác để mưu sinh và thỉnh thoảng bày trò cá độ để kiếm tiền, đêm thì đều đặn đến trường học bổ túc văn hóa và dạy chữ cho trẻ em đường phố. Tình cờ Hằng quen Hải ( Lương Mạnh Hải), chính sự gặp gỡ này đã làm Hải thay đổi và cuộc sống bị nhiều xáo trộn. Và cũng từ đó Hải nảy sinh tình cảm xen lẫn lòng cảm phục bởi Hằng một mình bươn chải kiếm sống bằng những công việc nặng nhọc.
Càng yêu, Hải càng muốn giúp đỡ Hằng nhiều hơn. Anh giới thiệu Hằng tham gia vào câu lạc bộ người mẫu, âm thầm viết kịch bản về cuộc đời cô. Nhưng không ngờ người yêu cũ của Hải (Thanh Hằng) mượn chuyện này để chia rẽ tình cảm của Hằng và Hải. Vượt lên những tự ái của tuổi trẻ, những cám dỗ từ cuộc sống, họ đã quay lại bên nhau dưới một trời đầy tuyết trắng giữa Sài Gòn, giống như mơ ước của Hằng về một tình yêu cổ tích thời hiện đại.
Nhận vai diễn này, Anh Thư đã nỗ lực tập luyện rất nhiều để không bị gán mác “bình hoa di động”. Từng động tác, cử chỉ đạp, đẩy xe ba gác của cô rất thuần thục. Đến thời điểm này, Tuyết nhiệt đới vẫn được xếp vào danh sách những bộ phim truyền hình hay nhất của Việt Nam, bởi kịch bản hay, những thước phim đẹp. trên vùng đất cao nguyên và diễn xuất thu hút của dàn diễn viên như Anh Thư, Thanh Hằng, Lương Mạnh Hải.
Khác hoàn toàn với sự ngang tàng trong Tuyết nhiệt đới, trong phim Hoa thiên điểu, Anh Thư hóa thân vào vai Nhã Lan, một phụ nữ hiền lành, cam chịu. Nhã Lan rất mực yêu thương chồng, sẵn sàng hy sinh tất cả, kể cả việc chấp nhận vào… tù để cứu chồng thoát nạn. Đến ngày trở về, Nhã Lan lại chứng kiến cảnh chồng của mình đã ngã vào vòng tay của cô bạn thân nhất. Cuộc đời nhân vật trải qua nhiều biến cố, nhiều cung bậc cảm xúc khiến Anh Thư phải đầu tư rất nhiều cho vai diễn. Và cô đã thành công khi dẫn dắt người xem bằng nhiều tình tiết mâu thuẫn, ngang trái, những cảm xúc đau khổ đau tột cùng của nhân vật.
Với phim Chữ T danh vọng, Anh Thư lần đầu tiên được vào vai đúng với nghề người mẫu của mình. Bộ phim thể hiện một thế giới người mẫu với nhiều vinh hoa nhưng cũng đầy rẫy cạm bẫy. Trong phim này, Anh Thư thủ vai Phương Thúy là người mẫu hạng A nhưng gặp phải nhiều đau khổ trong tình yêu. Cô yêu Nguyên Khang (siêu mẫu Hoàng Anh đóng) nhưng giữ kín mối quan hệ vì sự nghiệp đang ở thời kì đỉnh cao. Nguyên Khang lại là kẻ rất thủ đoạn. Hắn dụ Phương Thúy bán nhà và mua ngôi nhà chung đứng tên mình. Sau đó ít lâu, Phương Thúy có thai. Nguyên Khang cố tình gây nên một tai nạn để cô bị sẩy thai. Cú sốc quá lớn khiến Phương Thúy phát điên. Còn Nguyên Khang, hắn không còn một chút nhân tính nào khi đưa Phương Thúy vào nhà thương điên và bỏ mặc cô ở đây.
Năm 2013, Anh Thư góp mặt trong phim ngắn Những thiên thần nhanh nhạy với vai diễn về chính mình. Trong phim cô vào vai một người mẹ vừa bận rộn với công việc lại phải quán xuyến việc nhà. Ngặt nỗi cô con gái của Anh Thư vốn quen có mẹ bên cạnh từ bé nên cứ vòi vĩnh mãi, nằng nặc đòi theo mẹ mỗi khi Anh Thư đi làm. Cô con gái nhõng nhẽo quá làm cho Anh Thư không ít lần muộn phiền. Sau nhiều kế sách, Anh Thư đành phải nhờ đến “biệt đội” Những thiên thần nhanh nhạy vào cuộc giúp đỡ.