Apja V. Vilmos bajor herceg (1548–1626), anyja Renáta lotaringiai hercegnő (1544–1602) volt, I. Ferenc lotaringiai herceg leánya. Apai nagyanyja, Habsburg Anna főhercegnő (1528–1590) révén I. Ferdinánd német-római császár és magyar király dédunokája volt. A szülők házasságából tíz gyermek született:
Kristóf (*/† 1570), kisgyermekként meghalt
Krisztina (1571–1580), gyermekként meghalt
Miksa (1573–1651), trónörökös herceg, 1597-től Bajorország uralkodó hercege, 1623-tól választófejedelem
Negyedik fiának, Lipót Vilmos főhercegnek születése után két évvel, 1616. március 8-án Mária Anna főhercegné váratlanul meghalt. Már nem érhette meg, amikor férje 1617-ben a cseh, 1618-ban a magyar, majd Mátyás császár (magyar királyként II. Mátyás) halála után, 1619-ben pedig a német-római császári trónra jutott.
Az elhunyt Mária Anna császárné testét a Habsburgokgrazi mauzóleumában temették el.