Era la figlia di Filippo I, duca d'Orléans, fratello minore di Luigi XIV, e della principessa Enrichetta d'Inghilterra, la più giovane delle figlie femmine di Carlo I d'Inghilterra. Sua madre morì allo Château de Saint-Cloud dieci mesi dopo la nascita di Anna Maria. Un anno dopo, suo padre sposò la ventunenne Elisabetta Carlotta del Palatinato, che diventò molto legata alle sue figliastre. Il suo fratellastro Filippo d'Orléans, il futuro reggente di Francia, nacque dal secondo matrimonio di suo padre. La sua matrigna in seguito la descrisse come una delle donne più amabili e virtuose.