Ana Vilenica rođena je u Rijeci. Studij Glume je završila na Akademiji scenskih umjetnosti u Sarajevu, a na Royal Central School od Speech and Drama u Londonu je završila drugi magistarski studij.
Bh. publika pamti je po brojnim voditeljskim i glumačkim angažmanima ranih dvijehiljaditih, kao i po glavnoj ulozi u seriji Dolina sunca.
Nakon povratka u rodnu Hrvatsku, Ana Vilenica glumi u kazalištu, filmu i televiziji. Producira kazališne predstave i filmove, redateljica je dugometražnog dokumentarnog filma i piše filmske scenarije.
Sada je postala nova direktorica Hrvatske drame HNK Ivana pl. Zajca u Rijeci. Vilenica na ovoj funkciji Hrvatske drame nasljeđuje Renatu Carolu Gaticu, koja zbog brojnih redateljskih angažmana u kazalištima širom Hrvatske više nije u mogućnosti obavljati taj posao.