Ana estreou na televisão em 1997 na telenovela infantil Caça Talentos, da Globo. Em 2001, foi confirmada no elenco de Bambuluá como a personagem Tatá; posteriormente, interpretou Juju em Malhação. Aos 15 anos, começou a comandar a TV Globinho, onde ficou três anos, junto com outras apresentadoras.
Ainda em 2003, fez uma participação especial no programa Turma do Didi; em 2004, no Sítio do Picapau Amarelo. Nos anos de 2006 e 2007, já fora da TV Globinho, ela fez a personagem Maria em Páginas da Vida. Em 2009 e 2010, interpretou Carú em Viver a Vida. Em 2010 participa do seriado S.O.S. Emergência.
No mesmo ano foi para a Rede Record, onde participou do reality show A Fazenda, do qual foi eliminada em 14 de dezembro. Ana Carolina trabalhou na novela Fina Estampa, em que interpretou Deborah, personagem que fez sucesso. Em 2014, trabalha no teatro, integrando o elenco da peça Ex-My Loves, de Brunno Pires, na qual interpreta a protagonista Fabi. No mesmo ano, interpretou a vilã Carmem Godinho na telenovela Império.