Ngọc Anh sinh ngày 21 tháng 4 năm 1975 tại Hà Nội, chỉ đúng chín ngày trước biến cố ngày 30 tháng 4 năm 1975 tại miền Nam Việt Nam. Cha cô là nghệ sĩ tuồng Hoàng Khiềm. Năm 14 tuổi, cô chính thức có một người em trai là Hoàng Anh Khang, người mà sau này cũng có tài năng âm nhạc và đi theo con đường mà chị mình đã và đang đi. Suốt thập niên 1990, cô học tại Nhạc viện Hà Nội và Học viện Âm nhạc Quốc gia.

Năm 1995, cô cùng với hai ca sĩ khác là Minh Anh và Minh Ánh, thành lập nhóm tam ca 3A khi chỉ mới 20 tuổi. Sau khi nhóm nhạc tan rã, Ngọc Anh hầu như rất ít cộng tác với bất kỳ ca sĩ nào khác. Suốt những năm 2000, cô thành công với những album bao gồm tác phẩm nổi tiếng của nhạc sĩ Phú Quang, và cũng đồng thời là tác giả của một số ca khúc như Hãy Yêu Khi Ta Còn Bên Nhau và Mùa Đông Không Tuyết. Cô cũng từng kết hôn với một nhạc công, nhạc sĩ hòa âm tên Trần Hùng, có một người con trai là Trần Anh Trung, nhưng sau đó đã “đường ai nấy đi” vào năm 2017. Tới năm 33 tuổi, cô sang Mỹ định cư, sống tại Huntington Beach thuộc tiểu bang California cho đến nay.

Ở một thời điểm nào đó, Ngọc Anh được gặp Trizzie Phương Trinh và cô đã viết một ca khúc mang tên Trizzie’s Tango để dành riêng cho người vợ đầu tiên của nam ca sĩ Bằng Kiều. Ca khúc này sau đó được Trizzie sử dụng trong phần thi điệu nhảy Tango của mình trong cuộc thi Celebrity Dancing tổ chức bởi trung tâm Thúy Nga năm 2008.

Năm 2009, sau thành công của hai chương trình Paris By Night kỷ niệm 25 năm, cô chính thức được xuất hiện trong Paris By Night 96 – Nhạc Yêu Cầu 2. Sau chương trình này, cô tham gia cuộc thi Celebrity Dancing lần thứ hai với vai trò thí sinh tham dự – cô đã sử dụng chính sáng tác mới nhất của mình vào thời điểm đó là Samba Cho Em và thực hiện điệu nhảy Samba, và cô đã đoạt giải Huy chương Vàng thuộc nhóm giải Judge’s Choice Award của toàn bộ cuộc thi (dù chính bản thân cô từng nói rằng cô chưa từng khiêu vũ ballroom), cùng với Nguyệt Anh (giải Đồng), Tommy Ngô (giải Bạc) và Chí Tài (giải People’s Choice). Từ sau cuộc thi này, cô mới thực sự bắt đầu xuất hiện thường xuyên trên sân khấu Paris By Night, liên tục cho đến tận năm 2020.

Suốt mười một năm liên tiếp cộng tác với trung tâm Thúy Nga, trung tâm đã cho ra mắt nhiều album của cô, cũng như có nhiều lần ưu tiên cho nữ ca sĩ thực hiện phần trình diễn mở màn của nhiều chương trình PBN (106, 108, 115, 118, 127 và gần đây nhất là 129). Những năm 2017 – 2018, Hoàng Anh Khang chính thức được đoàn tụ với gia đình chị mình tại Mỹ. Năm 2018, anh tham gia cuộc thi V-Star và đạt giải Judge’s Choice và chính thức được tham gia thu hình chương trình Paris By Night 128 – Hành Trình 35 Năm – Feel The Lights cùng với chị mình.

Năm 2020, dịch COVID-19 bùng nổ khiến trung tâm Thúy Nga không thể sản xuất được chương trình Paris By Night tiếp theo hay bất cứ liveshow nào trong năm này, Ngọc Anh đã tham gia thực hiện MV Áo Trắng Áo Xanh cùng với 34 ca sĩ của trung tâm Thúy Nga. Cũng trong năm này, cô có hai lần xuất hiện trong hai chương trình Thúy Nga Music Box (số 11 và 18).

Đầu năm 2021, cô tham gia thực hiện chương trình Paris By Night 131 – Xuân Hy Vọng. Ngày 22 tháng 8, Ngọc Anh tham gia liveshow Gọi Tên Ngày Mới. Năm 2022, sau thành công của chương trình Paris By Night 132 – Xuân Với Đời Sống Mới, Ngọc Anh và chồng về thăm Việt Nam lần đầu tiên sau nhiều năm. Trong chuyến đi này, Ngọc Anh đã có dịp viếng thăm mộ nhạc sĩ Phú Quang tại Phú Thọ, hoàn thành điều mong muốn nhất của mình kể từ khi biết tin nhạc sĩ qua đời.

Sau một thời gian đi du lịch tại Việt Nam, chậm nhất vào cuối tháng 6, đầu tháng 7 năm 2022, cô và chồng trở lại Hoa Kỳ. Ngày 19 tháng 7 năm 2022, Ngọc Anh được biết là người đầu tiên có mặt vào một khoảng thời gian ngắn sau khi giáo sư Tô Văn Lai trút hơi thở cuối cùng.